導讀摘要：AIGC推動(dòng)智算中心對帶寬、能效和延遲提出更高要求，光互聯(lián)技術(shù)加速演進(jìn)，成為支撐AI基礎設施高效運行的關(guān)鍵支柱。近日，凌云光在第十四屆“硅基光電子技術(shù)及應用”暑期學(xué)校中發(fā)表《智算中心光互聯(lián)技術(shù)進(jìn)展》主題報告，系統梳理了當前光互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò )，聚焦Scale-Out與Scale-Up架構下的核心演進(jìn)路徑，深入解析可插拔光模塊、CPO、LPO等關(guān)鍵技術(shù)，OCS光交換應用，以及PWB、TGV等先進(jìn)封裝工藝，為行業(yè)提供了一套面向未來(lái)的智算中心光互聯(lián)技術(shù)圖譜。

隨著(zhù)人工智能生成內容（AIGC）時(shí)代加速到來(lái)，大模型參數呈百倍級躍升，數據中心算力需求持續攀升。在這場(chǎng)技術(shù)變革中，傳統電互連逐漸顯現瓶頸，光互聯(lián)正以更高帶寬、更低功耗、更低時(shí)延的優(yōu)勢，迅速崛起為支撐智算中心高效運行的“神經(jīng)系統”。近期，凌云光光纖器件與儀器事業(yè)部CTO張華博士在主題報告中，系統分享了智算中心光互聯(lián)架構的演進(jìn)路徑、核心技術(shù)突破與未來(lái)發(fā)展趨勢。

AIGC的崛起，對智算中心的光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )提出了嚴苛的要求，可概括為“兩高兩低”：

高帶寬：大模型訓練需要海量GPU協(xié)同工作，交換數據量巨大，網(wǎng)絡(luò )帶寬成為核心瓶頸。據報告顯示，AI大模型參數每?jì)赡陻U展約100倍，而網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)帶寬僅增長(cháng)約1.4倍，這之間存在巨大的差距。?

高可靠：大模型訓練往往需要數千塊芯片共同分擔，并持續數周甚至更長(cháng)時(shí)間，任何故障都可能導致算力浪費，因此網(wǎng)絡(luò )必須具備極高的可靠性。

低功耗：隨著(zhù)交換機Serdes和光模塊速率及數量的增加，計算交換設備的功耗呈指數級增長(cháng)，其中光模塊功耗占比甚至高達設備總功耗的三分之一。

低時(shí)延：AI大模型是“大數據+大算力+強算法”的緊耦合場(chǎng)景。網(wǎng)絡(luò )時(shí)延過(guò)大會(huì )導致GPU相互等待，降低GPU利用率。動(dòng)態(tài)時(shí)延每增加10μs，GPU利用率可能下降1%至3%。??

為應對這些挑戰，AI網(wǎng)絡(luò )架構普遍采用數據并行（DP）、流水線(xiàn)并行（PP）與張量并行（TP）等策略。其中，TP通常用于節點(diǎn)內通信，對帶寬需求最高；DP和PP則更側重跨節點(diǎn)互聯(lián)。同時(shí)，AI網(wǎng)絡(luò )架構分為Scale-Up（縱向擴展，提升單點(diǎn)算力密度）和Scale-Out（橫向擴展，通過(guò)網(wǎng)卡實(shí)現超節點(diǎn)間互聯(lián)）兩種，對應不同光互聯(lián)技術(shù)路徑。

Scale-Out網(wǎng)絡(luò )主要關(guān)注數據中心內部以及數據中心間的互聯(lián)DCN。

隨著(zhù)AI模型快速迭代，全球光模塊市場(chǎng)迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)。2024年光模塊出貨量達2300萬(wàn)只，400G與800G成為主力；預計400G將在2025年、800G在2026年達到峰值，而1.6T光模塊將從2026年起批量交付，3.2T光模塊預計2029年開(kāi)始發(fā)貨。到2028年，400G及以上光模塊市場(chǎng)規模將突破180億美元。

Retimed可插拔光模塊：作為當前主流，具備良好的擴展性與產(chǎn)業(yè)鏈成熟度。在A(yíng)I驅動(dòng)下，光模塊升級周期已從4–5年縮短至約2年。

LPO (Linear-drive Pluggable Optics)：通過(guò)移除DSP/CDR顯著(zhù)降低功耗，特別適用于1.6T/3.2T速率，但對主設備SerDes性能與PCB設計提出更高要求。

LRO (Linear Receiver Optics/Half LPO)：在發(fā)射端保留DSP，接收端取消DSP，可降低約40%功耗，并兼容IEEE TP2，具備更好的互操作性。?

多芯光纖（MCF）光模塊：為簡(jiǎn)化海量光纖架構而生，如TeraHop展示的800G/1.6T 4×2模塊，可將光纖數量減少4倍，支持更長(cháng)距離傳輸。

此外，OIF已啟動(dòng)“High Density Connector”項目，面向3.2T/6.4T/12.8T等高帶寬應用，推動(dòng)前端可插拔與近封裝光學(xué)（NPO）發(fā)展。

CPO是一種將光芯片與交換芯片封裝在同一基板上的集成方案，旨在縮短電信號傳輸路徑、降低互連損耗，并顯著(zhù)提升帶寬密度和能效。與傳統的可插拔光模塊相比，CPO通過(guò)更緊密的光電集成，有效緩解了數據中心中交換機與服務(wù)器之間網(wǎng)絡(luò )連接的功耗與速率瓶頸，正逐步成為智算中心Scale-Out架構中的關(guān)鍵光互聯(lián)技術(shù)。

Nvidia CPO方案：在2025年3月的GTC大會(huì )上，Nvidia正式發(fā)布其1.6T CPO交換機方案。該方案采用外置可插拔激光器（Laser），便于更換但需使用保偏光纖傳輸；使用微環(huán)調制器（MRM）實(shí)現高集成度，但對溫度與制程變化較為敏感；并通過(guò)垂直耦合方式實(shí)現高帶寬密度封裝，但存在波長(cháng)相關(guān)性挑戰。這些設計凸顯了CPO在高性能集成方面的技術(shù)復雜性和產(chǎn)業(yè)協(xié)同要求。

CPO與可插拔模塊對比：與其他光模塊形態(tài)對比，CPO在功耗、帶寬密度和時(shí)延控制方面具備顯著(zhù)優(yōu)勢，適合未來(lái)高密度布線(xiàn)和大規模交換部署。然而，其產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、生態(tài)兼容性及可維護性仍有待進(jìn)一步提升。相比之下，LPO（線(xiàn)性驅動(dòng)可插拔光模塊）在功耗表現上達到當前可插拔形態(tài)中的最佳，但面臨擴展性受限的問(wèn)題；TRO（發(fā)射端重定時(shí)模塊）則在系統兼容性、模塊責任界定和能效之間實(shí)現了更為均衡的技術(shù)權衡。

總體來(lái)看，CPO正成為AI集群和高性能網(wǎng)絡(luò )基礎設施的核心支撐技術(shù)之一，隨著(zhù)標準化和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的逐步完善，其應用有望在未來(lái)加速落地。

今年OFC 2025上，單Lane 400Gbps被廣泛認為是未來(lái)高速光互聯(lián)的重要突破方向，多家企業(yè)與研究機構展示了相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展。McGill大學(xué)聯(lián)合Hyperlight、Ciena與Keysight，采用90GHz TFLN MZM與3nm SerDes DAC，實(shí)現了3.2Tbps（單路420.5Gbps）在2km光纖上的傳輸。華為則展示了110GHz帶寬的InP EML器件，支持200G Baud PAM4（400Gbps）、190G Baud PAM6（475Gbps）及180G Baud PAM8（540Gbps）在30km標準單模光纖上的遠距離傳輸能力。Aloe Semiconductor采用帶寬僅55GHz的硅光MZM，實(shí)現425Gbps雙偏振PAM4，有效降低器件帶寬要求。此外，TeraHop與Coherent也分別展示了基于TFLN調制器與差分EML的400G-PAM4方案。這些成果標志著(zhù)單通道400Gbps技術(shù)正加速邁向實(shí)用部署，成為下一代光互聯(lián)的重要支撐。

AI算力擴張驅動(dòng)下，Scale-Out架構逐漸普及。據LightCounting預測，Ethernet交換機將在2025年超過(guò)IB交換機，并在2030年占市場(chǎng)主導地位，光電路交換機（OCS）也展現出強勁增長(cháng)勢頭。?

然而，當前Scale-Out架構中的Spine交換機逐漸成為成為新技術(shù)應用的性能瓶頸。一方面，Spine交換機在大規模部署中通常被提前布置，隨著(zhù)速率提升，其成本和功耗迅速上升，在整個(gè)數據中心占比高達40%；另一方面，200G及以上速率的提升已難以依靠單純堆疊硬件實(shí)現突破，網(wǎng)絡(luò )整體能效提升正進(jìn)入平臺期。?

Google的全光交換（OCS）實(shí)踐：為應對上述挑戰，業(yè)界正積極探索全光交換架構。以Google為代表的領(lǐng)先企業(yè)已在其數據中心廣泛部署基于光電路交換（OCS）的架構，通過(guò)引入OCS替代Spine層，并結合SDN動(dòng)態(tài)調整拓撲路由，實(shí)現了功耗下降40%，時(shí)延降低50%，網(wǎng)絡(luò )CAPEX降低30%，Fabric拓撲重構速度提升10倍以上的顯著(zhù)效益。

然而，全光交換的部署仍面臨拓撲和路由軟件控制復雜等挑戰，當前仍以Google為代表的頭部企業(yè)在率先探索與應用。

Scale-Up網(wǎng)絡(luò )主要關(guān)注芯片內部和芯片間的超高速互聯(lián)。

在算力需求持續攀升的背景下，芯片內部與芯片間的高效互聯(lián)已成為智算中心架構升級的關(guān)鍵驅動(dòng)力。光I/O（Optical I/O，簡(jiǎn)稱(chēng)OIO）正加速崛起，成為突破傳統電互連帶寬、距離與功耗瓶頸的重要方向。OIO通過(guò)將光芯片與GPU/XPU/CPU等計算芯片共封裝于同一基板，以光信號替代電信號，實(shí)現了更高的帶寬密度、更低的延遲與功耗，特別適用于支持超百卡規模的Scale-Up集群部署，可顯著(zhù)提升系統擴展能力與能效比。?

在實(shí)現路徑上，OIO技術(shù)正在沿著(zhù)“可插拔+光電合封”兩條路線(xiàn)同步推進(jìn)。Google率先在Scale-Up架構中引入了基于OCS與可插拔光模塊的OIO方案，逐步實(shí)現從400G、800G到1.6T的演進(jìn)，滿(mǎn)足ML場(chǎng)景對高可靠性與低延遲的連接需求。

而在更具集成度的光電合封方向，Ayar Labs推出了符合UCIe規范的光互連芯粒TeraPHY，搭配16波長(cháng)SuperNova光源及GF流片的微環(huán)調制器，在富士通A64FX處理器平臺上實(shí)現了高達8.192Tbps的雙向帶寬傳輸。Avicena則基于GaN材料開(kāi)發(fā)了支持10Gb/s NRZ速率的microLED陣列，具備低功耗、低成本與高溫環(huán)境下可靠性的優(yōu)勢，尤其適用于10米以?xún)榷叹喔咚倩ヂ?lián)，在Scale-Up網(wǎng)絡(luò )中展示出6.4T CPO的潛力。與此同時(shí)，TSMC通過(guò)其SiP平臺與SoIC 3D先進(jìn)封裝工藝構建出高性能、低功耗的小尺寸光引擎COUPE，并集成熱控制器以穩定調制器波長(cháng)，進(jìn)一步推動(dòng)OIO從實(shí)驗室走向大規模落地。

除了上述光互聯(lián)技術(shù)，報告還提到了其他值得關(guān)注的先進(jìn)光技術(shù)，特別是空芯光纖和長(cháng)距相干傳輸：

空芯光纖（HCF）：HCF以顯著(zhù)的低時(shí)延、低非線(xiàn)性、低損耗和寬譜特性，在超算、數據中心互聯(lián)（DCI）、海纜等對時(shí)延有高要求的應用中展現出巨大潛力。由于大部分信號功率在空氣通道中傳輸，HCF損耗可達0.1dB/km，提供了比傳統光纖更低的時(shí)延（降低33%），這對提高光傳輸系統的效率意義重大。領(lǐng)先企業(yè)已發(fā)布了衰減為0.1dB/km的空芯光纖，進(jìn)一步推動(dòng)了這一技術(shù)的應用。

長(cháng)距相干傳輸：針對高波特率系統中，激光器相位噪聲與光纖色散耦合導致的均衡增強相位噪聲（EEPN）問(wèn)題，上海交大朱逸蕭團隊和北大張帆團隊提出了一種創(chuàng )新方案，利用色散誘導的走離效應，通過(guò)殘留載波和導頻音分離發(fā)射機和本振的相位噪聲，從而實(shí)現了更為高效的大容量長(cháng)距相干傳輸。這項技術(shù)已在1.35MHz DFB激光器的基礎上成功實(shí)現了400Gb/s的傳輸，距離達到了6720公里的標準單模光纖。這一進(jìn)展大大提升了長(cháng)距離通信的穩定性和性能，尤其在超長(cháng)距離、大帶寬的通信需求中具有廣泛的應用前景。

這些先進(jìn)光技術(shù)不僅推動(dòng)了光互聯(lián)向更高性能演進(jìn)，也為實(shí)現下一代超高速、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò )提供了關(guān)鍵支撐。

面對高速光互聯(lián)加速演進(jìn)，凌云光圍繞光模塊測試與光電芯片設計封裝，構建了一套覆蓋測試驗證與先進(jìn)封裝的完整解決方案，賦能智算中心、超算互聯(lián)與新型數據中心建設。

在高速光模塊產(chǎn)線(xiàn)測試方面：凌云光推出面向800G/1.6T IMDD模塊的自動(dòng)化測試方案，兼容SR8、DR4等多種封裝與協(xié)議，集成誤碼率（BER）、接收靈敏度、光譜、眼圖、OTN/Ethernet誤幀等關(guān)鍵指標分析。系統支持最多8通道并行測試、模塊化擴展，配套參考模塊與誤碼儀、示波器等設備，實(shí)現高速光模塊的高效分選與穩定交付。

在光電子集成芯片測試方面：凌云光構建了從研發(fā)驗證到量產(chǎn)的高精度測試體系。以EXFO PILOT自動(dòng)化平臺為核心，結合OPAL探針臺、T500/T200掃頻光源及光譜分析系統，實(shí)現對IL/RL/PDL、O波段光譜、掃頻響應等參數的精準測試，具備皮米級分辨率、雙向高速掃描與高通道并發(fā)能力，適用于硅光/InP等多平臺芯片的全波段分析。

在光電子集成芯片封裝方面：凌云光重點(diǎn)布局PWB（光子引線(xiàn)鍵合）與TGV（玻璃通孔）兩大核心技術(shù)，支撐從芯片間互聯(lián)到系統級封裝的高密度光電集成需求。

PWB技術(shù)：采用雙光子聚合3D激光直寫(xiě)技術(shù)，無(wú)需透鏡與高精主動(dòng)對準，實(shí)現芯片間亞微米級低損耦合（插損低至2dB），已通過(guò)Telcordia驗證，并在哈佛大學(xué)、住友電工等項目中落地應用。

TGV技術(shù)：通過(guò)飛秒激光誘導改性+濕法腐蝕工藝，打造10μm級高縱深比低應力通孔結構，適配大尺寸玻璃基板封裝，廣泛適用于光纖陣列耦合、Bump引出、封裝電通孔等場(chǎng)景，顯著(zhù)提升封裝密度與可靠性。

當前，光互聯(lián)正邁入“模塊形態(tài)演進(jìn)、封裝集成升級、網(wǎng)絡(luò )架構重構”三線(xiàn)并進(jìn)的新階段。凌云光以其在高速光模塊測試、集成芯片驗證與先進(jìn)封裝領(lǐng)域的深厚布局，積極參與并引領(lǐng)這一技術(shù)浪潮。未來(lái)，隨著(zhù)CPO、OIO、全光交換等前沿方案加速落地，光互聯(lián)將持續突破帶寬與能效瓶頸，成為AIGC時(shí)代智算中心高效運行的核心底座。