随着数字数据流的速度与速率不断提升，PCB 走线损耗正日益成为瓶颈。通过共封装光学（CPO） 将信号更靠近专用集成电路（ASIC），能够有效改善信号完整性。
数百年来，通信速度一直受制于信息传输介质。徒步信使、快马骑手、远洋信件，距离与交通工具决定了传输极限。
电报与电话的发明改变了这一切。当传输介质实现近乎即时通信后，限制从传输转向了解码：摩尔斯电码操作员的译码速度、人声被理解的速度。
数据中心需要共封装光学
图 1. 传统模块化服务器与机箱架构依赖铜质背板与电气互连，实现板卡、子系统与系统模块间的数据传输。
在计算时代的大部分时间里，互连技术一直隐于幕后。处理器性能提升极快，机箱内部的铜质走线、背板与 PCB 布线被认为 “速度足够”。传统模块化系统围绕铜质背板与电气互连构建，如图 1 所示。
如今，这一假设已不再成立。随着 AI 系统与超大规模架构对带宽需求持续攀升，传输介质重新成为决定性因素。信号损耗、高功耗调理电路与密度限制意味着，PCB 已不再是高速通信的理想通道。数据传输方式，再次成为信息共享速度的核心。
这一瓶颈在大规模 GPU 集群、超大规模交换环境以及大型数据中心 AI 集群中尤为突出。在这样的带宽级别下，互连不再是设计边缘的细节，而是核心。功耗、信号完整性、密度与延迟，全都由芯片间的比特传输方式决定。
共封装光学（CPO） 正是在这一背景下应运而生。它常被描述为革命性技术，实则更适合理解为演进式技术。共封装光学并非与过去彻底割裂，而是高速连接的下一步。其发展轨迹由数十年来塑造互连设计的相同工程压力所驱动。
PCB 与背板：最初的高速通道
在现代电子史的大部分时间里，PCB 与铜质背板是模块化电子系统的支柱。背板连接器、铜质走线与电气信令让架构师得以构建大型、可维护的平台，处理器、线卡与子系统可在机箱内高效通信。
电信路由器与交换机依靠这些基于铜材的组件实现良好扩展。连接器技术随芯片同步演进，引脚密度不断提高、阻抗控制不断优化、电气性能代代提升。多年来，铜材恰好满足工程师需求：易于制造、可靠且经济高效的成熟介质。
但高速电气扩展的现实是，每一代新技术都对物理特性提出更高要求。最终，背板开始不堪重负。
铜材扩展成为系统主导因素
图 2. 随着数据速率提高，电气信道损耗与抖动加剧，信号眼图开始闭合，需要额外的均衡、重定时与调理电路来维持链路完整性。
随着数据速率持续攀升，电气传输的物理极限愈发难以忽视。损耗随频率快速上升，反射与不连续性危害加剧，串扰余量缩小。PCB 设计的物理约束 —— 走线长度、过孔、连接器过渡与布线限制 —— 开始主导链路预算。速率越高，损耗与抖动的叠加效应越会闭合信号眼图，如图 2 所示。
在低速场景下，这些问题通常可通过合理布局与适度均衡解决。但随着信令速率不断升高，系统复杂度不再用于传输数据，而是用于保护数据。
每一个新的速度里程碑都需要更多均衡器、重定时器与更复杂的编码。这些技术有效，但带来了开销：更多功耗用于维持信号，更多芯片资源用于传输比特而非计算。
在大型多机箱系统中，铜材还成为物理限制：重量、体积与传输距离瓶颈迅速暴露。这是推动光纤进入应用的最早动力之一。铜材难以满足电信路由器多机箱间的距离要求，而光纤在共封装光电子技术出现前很久就提供了实用解决方案。
延长铜材的使用寿命
行业最初的应对思路很直接：长电气路径是问题所在，那就缩短它。连接器从板边移至靠近 ASIC的位置，以缩短电气路径。板中与近封装连接器架构减少了走线长度，改善了信号完整性。
这一步提升了余量，延长了铜材的使用寿命，但也带来新挑战：连接器更靠近芯片要求更严格的机械公差，装配更复杂，可维护性下降。每一项改进都伴随权衡，但创新并未停止，下一步是为最高速通道完全绕开 PCB。
近芯片线缆
当 PCB 走线难以扩展时，许多设计师开始将高速信号引入紧邻芯片的铜缆组件。双轴电缆等高性能线缆技术在高速率下的损耗特性与传输距离优于长距离 PCB 走线。
图 3. 双轴电缆组件通过线缆而非 PCB 走线在 ASIC 与光模块间传输信号，有助于提升信号完整性。
如图 3 所示，近芯片布线让设计师摆脱长板载走线限制。线缆在更可控的介质中传输信号，而非让铜材横穿整块 PCB 或背板。但随着更多高速通道从 PCB 转向线缆，铜缆的体积与复杂度也随之增加。
遗憾的是，这仍是电气解决方案。尽管信道性能改善，但电气信令的基本开销并未消除：重定时器、编码复杂度与功耗依然存在。随着系统持续追求更高带宽密度，近芯片布线同样面临问题：在架构被信号调理主导之前，铜材还能被推到多远？
共封装铜材
铜材创新并未止步于近芯片线缆。技术路线继续向芯片靠近，甚至将高速电气连接直接从芯片基板引出。共封装铜技术进一步缩短走线长度，支持更高 I/O 密度。
然而在这一尺度下，封装环境变得拥挤：热约束加剧，机械集成更精细，连接器密度逼近实际极限。尽管铜材仍可扩展，但每一次速度提升都会使余量进一步缩小。
铜材在供电与许多短距互连中依然不可或缺。电气创新仍在继续，工程师一再延长铜材的使用寿命。铜材与光学技术并行发展并非偶然：工程师清楚，尽管每一代信令都在压缩铜材的扩展空间，它仍将至关重要。
光学技术首次证明价值
光学进入系统设计并非因为工程师追求新奇。光纤最早应用于铜材无法满足距离与扩展要求的场景，多机箱电信路由器是最早的案例之一。在这些系统中，铜缆过于笨重且距离受限，而光纤支持铜材无法实际实现的大型可扩展架构。
此后，光学开始更靠近芯片。板载光学缩短了高密度线卡系统内的电气路径。即便那时，光学仍常被视为小众工具，仅在铜材力不从心时使用。但随着带宽需求爆发，光学不再小众，而是成为必然选择。
当系统在清理电气信号上消耗的功耗超过数据传输本身时，光学就成了不可避免的选择 —— 不是因为铜材失效，而是物理层面的权衡已不再合理。
当铜材系统逼近性能阈值时，问题不再是能为电气链路增加多少复杂度，而是另一种介质能否更自然地扩展。光纤与铜材的扩展特性截然不同：高速双轴铜缆的传输距离局限于米级，而光纤通常支持数百至数千米。光介质的衰减与色散特性不同，光子学提供了电气信令难以高效实现的扩展机会。
电信行业早已利用波分复用（WDM） 在单根光纤上传输多路信道，使带宽增长独立于物理介质。在这些系统中，扩展带宽通常只需改变收发端。随着光引擎向芯片靠近，类似原理可应用于数据中心光子学。
一旦光学足够靠近芯片以消除长电气路径，大量重定时与编码开销便会消失。这正是行业将重心转向共封装光学的关键原因。
什么是共封装光学？
传统上，光转换位于系统边缘的可插拔模块中。ASIC 通过 PCB 走线进行电气通信，光学仅出现在前面板。共封装光学改变了这一边界。从物理结构看，架构转变更为清晰：图 4 显示光引擎移至 ASIC 封装旁，光纤直接从基板输出。
CPO 将电光接口拉入封装环境。光收发功能距 ASIC 仅毫米级，而非在系统边缘转换信号。收益十分显著：电气路径大幅缩短，重定时与调理开销降低，原本用于驱动长铜链路的大量芯片与功耗得以消除。
共封装光学最好被理解为转换位置的架构转变，而非一项新功能。
图 4. 共封装光学架构将光引擎置于 ASIC 封装旁，光纤直接从基板引出，而非前面板模块。
何时需要考虑 CPO？
大多数工程师采用光学并非出于跟风。当电气链路无法高效扩展时， adoption 便会发生。当铜材传输距离在每一代迭代中持续缩水、引出布线受封装限制时；当单机架带宽超出前面板光学支持能力、每比特功耗成为硬性架构约束时，共封装光学就进入了视野。
在大多数情况下，CPO 并非要全面取代铜材，而是在芯片边缘距离、密度与功耗交汇的场景中应用光学。
工程组件与待解决挑战
实现共封装光学需要几项关键要素：
带光功能的芯片与光子 tile 必须集成在基板附近
需要外部激光器（通常置于封装外以提升热稳定性与长期可靠性）
光可通过专用光纤路径高效传入光引擎
下一代交换芯片与 GPU 集群的路线图已指向更高的单封装通道数。连接器必须可分离、可维护，而非易损坏的永久装配。光纤到芯片连接仍是最大挑战之一：以可制造、可拆卸的方式将数百根光纤连接到紧凑基板并非易事。CPO 在技术上可行，但大规模部署扩展仍是巨大障碍。
谁会率先采用共封装光学？
共封装光学的早期采用者最可能是超大规模厂商与 AI 基础设施建设者，他们对带宽密度与功耗效率要求极高。大型训练集群、交换矩阵与低延迟敏感系统将率先证明 CPO 架构的价值。在这些环境中，即便每比特功耗或延迟小幅优化，在数千台互联设备扩展后也能带来显著的系统级收益。
一旦光纤可直接从芯片引出，该技术将具备广泛适用性。剩余障碍是生态系统成熟度：行业必须从生产数千套复杂光子组件，扩展到数十万套基于 CPO 的系统。
结论：芯片边缘的下一步
共封装光学并非突如其来的革命，而是封装内高速连接的下一步演进。铜材仍将至关重要，尤其在供电与短距链路中；但在电气开销不再合理的场景下，光学成为必然选择。
未来是混合的。铜材与光纤将共存，各自服务于最具工程合理性的应用场景，而系统架构师将继续在提升带宽、向芯片靠近的道路上艰难前行。
