5/16/2025，光纖在線訊，隨著元宇宙、生成式AI、超高清視頻等技術(shù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心正面臨帶寬密度、能耗效率和傳輸時(shí)延的"三重瓶頸"。在此背景下，光電合封（Co-Packaged Optics，CPO）技術(shù)正引發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)的范式變革——通過將光引擎與邏輯芯片深度集成，重構(gòu)"光進(jìn)銅退"的產(chǎn)業(yè)演進(jìn)路徑。騰訊提前布局CPO技術(shù)攻關(guān)，不僅著眼于解決當(dāng)前200G/400G高速互連的物理極限，更致力于構(gòu)建支撐未來數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的底層技術(shù)基座，推動(dòng)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施向更高能效、更強(qiáng)擴(kuò)展性的方向演進(jìn)。

1、CPO技術(shù)及應(yīng)用解析

圖 1. 可插拔方案、OBO方案、CPO方案 對(duì)比
在當(dāng)今的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中，AI 算力集群對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提出了大規(guī)模、高吞吐、高可靠性等嚴(yán)苛要求。與此同時(shí)，AI 系統(tǒng)架構(gòu)也處于持續(xù)的變革之中，從單機(jī) 8 卡到超節(jié)點(diǎn)，Cable Tray、中板線卡、正交插卡等方案相繼被提出。在傳統(tǒng)的互連方案里，信號(hào)從芯片傳輸?shù)?nbsp;IO 接口需要?dú)v經(jīng)“封裝 - 過孔 - PCB/cable - 連接器” 的復(fù)雜信道。隨著信號(hào)速率的不斷提升，插損和反射的影響愈發(fā)顯著。業(yè)界預(yù)計(jì)當(dāng)基頻超過 100GHz 時(shí)，傳統(tǒng)方案將難以繼續(xù)適用。若要持續(xù)擴(kuò)大集群規(guī)模，傳統(tǒng)方案架構(gòu)不可避免地會(huì)面臨銅介質(zhì)傳輸距離受限、系統(tǒng)能效低下以及鏈路可靠性低等諸多難題。

光電合封 CPO（Co-Packaged Optics） 是將傳統(tǒng)外部的光電轉(zhuǎn)換器件變?yōu)楣韫庖媾c邏輯芯片集成在同一 基板（Substrate）上，憑借高度集成的光電協(xié)同設(shè)計(jì)，CPO 成為突破傳統(tǒng)方案瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

● 支持更高速率、降低功耗
合封技術(shù)極大地縮短了芯片到光電轉(zhuǎn)換模組的信號(hào)傳輸距離。這一改變不僅能夠大幅降低信號(hào)傳輸過程中的插入損耗，從而為支持更高傳輸速率創(chuàng)造條件；而且合封之后，對(duì)于互聯(lián)電接口 SerDes 驅(qū)動(dòng)能力的要求也隨之降低，進(jìn)而有效降低了所需功耗。

● 提升可靠性
相較于傳統(tǒng)光模塊，CPO 中的光引擎集成度更高、可靠性更強(qiáng)。這種高度集成和高可靠性的特點(diǎn)，直接提升了系統(tǒng)整體的可靠性，為數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

● 提升傳輸距離與集群規(guī)模
CPO 芯片直接輸出光信號(hào)，其接口帶寬更大。相較于電信號(hào)，光信號(hào)可以傳輸更遠(yuǎn)距離。這一特性使得 CPO 技術(shù)能夠支撐更大規(guī)模的 AI 算力集群互聯(lián)，滿足超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展的需求。

2、騰訊CPO交換機(jī)開發(fā)實(shí)踐
在數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮席卷全球的時(shí)代背景下，技術(shù)創(chuàng)新始終是驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革的核心引擎。騰訊網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)以前瞻性戰(zhàn)略眼光，率先布局CPO這一前沿技術(shù)領(lǐng)域。早在2022年，團(tuán)隊(duì)便啟動(dòng)與全球領(lǐng)先芯片廠商博通公司的戰(zhàn)略合作，共同推進(jìn)CPO交換機(jī)的研發(fā)進(jìn)程。經(jīng)過持續(xù)攻堅(jiān)，當(dāng)年即推出并點(diǎn)亮業(yè)界首款25.6T CPO數(shù)據(jù)中心交換機(jī)——Gemini，標(biāo)志著該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的重要里程碑。

作為顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，CPO雖具備顯著的性能優(yōu)勢(shì)，但其現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。為此，騰訊技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)CPO產(chǎn)品認(rèn)真打磨優(yōu)化，通過系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)優(yōu)化突破性能瓶頸，依托實(shí)驗(yàn)室環(huán)境完成嚴(yán)苛的性能測(cè)試，充分驗(yàn)證了CPO技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)部署的可行性，更為后續(xù)規(guī)?；瘧?yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。基于前期充分的驗(yàn)證積累，團(tuán)隊(duì)近期啟動(dòng)了CPO技術(shù)的現(xiàn)網(wǎng)規(guī)模化部署。

圖2. 騰訊 Gemini CPO 交換機(jī)
Gemini 交換機(jī)集成 12.8T 光引擎（OE），提供 16 個(gè) 800G 光接口，另外 12.8T 交換容量通過面板上的 32 個(gè) QSFP112 可插拔接口提供。與同樣具備 25.6T 交換容量、128 個(gè)可插拔接口的 4U 高度傳統(tǒng)交換機(jī)相比，Gemini 的體積僅為傳統(tǒng)交換機(jī)的一半，同時(shí)功耗降低了 26%、傳輸延遲也降低了 20%。

之前業(yè)界并無數(shù)據(jù)中心 CPO 交換機(jī)先例，在 Gemini 的開發(fā)過程中，騰訊團(tuán)隊(duì)遇到了諸多前所未有的技術(shù)關(guān)注點(diǎn)及難題，并成功實(shí)現(xiàn)了逐一突破。

● 繞纖設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)交換機(jī)借助PCB走線將高速信號(hào)從交換芯片連接至面板連接器。而在CPO交換機(jī)中，這部分走線被集成在了基板上。與之類似，CPO交換機(jī)需要把OE光引擎的光信號(hào)通過光纖連接到面板接口。繞纖設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考量光纖彎曲半徑、光纖應(yīng)力、對(duì)機(jī)內(nèi)風(fēng)道的影響以及可生產(chǎn)性和可維護(hù)性等多方面因素。Gemini交換機(jī)總共包含288根光纖，這些光纖由4組2種不同長(zhǎng)度的光纖模組組成?？梢灶A(yù)見，隨著CPO集成度的不斷提高，光纖數(shù)量將進(jìn)一步增加。為此，騰訊團(tuán)隊(duì)提出了打印光纖軟板（Shuffle）方案，該方案能夠大幅提升安裝效率和系統(tǒng)可靠性。

圖 3. 繞纖及光纖軟板方案

● 防塵設(shè)計(jì)
FAU及光接口端面的潔凈度是保障光信號(hào)傳輸質(zhì)量與穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。若端面存在微小灰塵顆粒，將引發(fā)光信號(hào)的散射、反射或吸收現(xiàn)象，直接影響信號(hào)傳輸性能。為此，騰訊團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了系統(tǒng)性防塵設(shè)計(jì)，同時(shí)針對(duì)FAU及內(nèi)部光接口設(shè)計(jì)了專門的密封結(jié)構(gòu)，不僅在生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以有效阻隔外界灰塵污染，確保產(chǎn)品的一致性與產(chǎn)出良率，同時(shí)在運(yùn)行過程可抵御環(huán)境灰塵侵入，從而保證長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

● 散熱設(shè)計(jì)
相較于可插拔交換機(jī)，CPO將OE熱源從面板轉(zhuǎn)移至交換芯片附近，這使得發(fā)熱密度顯著增大，而且多個(gè)熱源都需要實(shí)現(xiàn)良好散熱。為了保證達(dá)到最佳的散熱效果，騰訊團(tuán)隊(duì)針在散熱器材質(zhì)和結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了優(yōu)化，充分保障了光引擎和交換芯片die熱源接觸的一致性以及良好的散熱性能。

此外，傳統(tǒng)可插拔模塊的液冷方案存在工程實(shí)現(xiàn)上的難題，而CPO方案在散熱設(shè)計(jì)上更為靈活，能夠同時(shí)兼容風(fēng)冷方案和液冷方案。Gemini交換機(jī)設(shè)計(jì)兼容了風(fēng)冷和液冷兩種散熱方式，采用液冷冷板方案的整機(jī)功耗可以再下降10%。

圖 4. 液冷方案示意圖

● 生產(chǎn)便利性
CPO設(shè)備的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境和工藝有著極高的要求。不僅需要保持高潔凈度，F(xiàn)AU還需實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精度的耦合對(duì)準(zhǔn)。因此，系統(tǒng)繞纖、防塵設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮生產(chǎn)的便利性。騰訊團(tuán)隊(duì)針對(duì)FAU對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了快速對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，可以方便的實(shí)現(xiàn)高精度耦合。此外針對(duì)面板光接口設(shè)計(jì)了一體化模組，可大大提升生產(chǎn)效率。

圖 5. 面板光接口模組及FAU

作為一項(xiàng)新興技術(shù)，CPO在規(guī)?；渴疬^程中仍面諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)均需在實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)性驗(yàn)證。

● 可維護(hù)性挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)交換機(jī)采用光模塊可插拔設(shè)計(jì)，某一光模塊發(fā)生故障時(shí)可單獨(dú)替換。而CPO的光引擎（OE）與芯片深度集成，無法獨(dú)立更換。盡管光引擎的可靠性較傳統(tǒng)光模塊已提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但整機(jī)失效模式及運(yùn)維策略仍需進(jìn)一步研究，以確保系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性。

● ELS 可靠性驗(yàn)證
Gemini CPO 交換機(jī)采用外部 ELS（External Light Source）為光引擎提供光源。ELS 如果失效會(huì)影響多個(gè)通道，雖然相較于集成于 CPO 內(nèi)部的光源設(shè)計(jì)，外部 ELS 方式運(yùn)行溫度更低、可靠性更高，而且失效后也可進(jìn)行更換，但是整機(jī)層面的可靠性表現(xiàn)仍需依托現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期驗(yàn)證。

3、現(xiàn)網(wǎng)部署及未來應(yīng)用場(chǎng)景展望

CPO技術(shù)憑借其大帶寬、遠(yuǎn)距離傳輸及高可靠性的顯著優(yōu)勢(shì)，正在成為下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。為驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)際效能，騰訊網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)開展了現(xiàn)網(wǎng)部署實(shí)踐——通過在真實(shí)運(yùn)營環(huán)境中部署CPO交換機(jī)，不僅積累了第一手的建設(shè)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，還系統(tǒng)性地采集并分析多維度的運(yùn)營數(shù)據(jù)。這一實(shí)踐不僅可以評(píng)估CPO技術(shù)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中的可行性與性能表現(xiàn)，更為后續(xù)在更多業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖 6. CPO交換機(jī)部署架構(gòu)方案

圖6展示了CPO交換機(jī)在AI模型計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方案，CPO交換機(jī)作為AI模型計(jì)算網(wǎng)接入交換機(jī)與GPU服務(wù)器直接互聯(lián)，每?jī)膳_(tái)交換機(jī)組成一個(gè)GPU服務(wù)器接入Block。CPO交換機(jī)可提供32個(gè)400G支持可插拔光模塊的端口，并使用騰訊自研400G BR4硅光模塊與GPU服務(wù)器對(duì)接。對(duì)于CPO交換機(jī)的16個(gè)800G直出光端口，通過定制的配線架拆分成64個(gè)200G直出光端口連接計(jì)算網(wǎng)核心層交換機(jī)，為GPU服務(wù)器提供無阻塞的跨Block通信能力。核心交換機(jī)采用騰訊自研交換機(jī)TCS9500，使用騰訊自研200G BR2硅光模塊對(duì)接CPO交換機(jī)的直出光端口。

圖 7. CPO交換機(jī)現(xiàn)場(chǎng)部署圖

在部署上線過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了CPO交換機(jī)帶來的一些優(yōu)勢(shì)：
首先，CPO交換機(jī)憑借光口直出的設(shè)計(jì)，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的效率。如圖7所示，中間銀色的為CPO交換機(jī)，其直出光端口位于設(shè)備的上半部分，而可插拔光模塊端口則位于下半部分。由于直出光端口無需插拔光模塊，只需插入光纖并進(jìn)行布線，從而省去了光模塊插入和調(diào)試的繁瑣步驟，這大幅提升了現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的效率。

不僅如此，CPO交換機(jī)在功耗和端口密度方面也展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。其低功耗和高密度特性可以在同一機(jī)架中部署更多的交換設(shè)備，同時(shí)有效降低租金電費(fèi)支出?；谏暇€后的功耗預(yù)估，采用CPO交換機(jī)后的電費(fèi)可節(jié)省30%以上。

然而，正如任何技術(shù)革新都伴隨著挑戰(zhàn)一樣，CPO交換機(jī)引入也為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營帶來了新的考驗(yàn)。例如，上文提到的CPO OE需要ELS部件提供光源，一旦該部件發(fā)生故障，將導(dǎo)致多個(gè)光端口同時(shí)失效，進(jìn)而可能引發(fā)大范圍的網(wǎng)絡(luò)故障。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)新增了采集ELS運(yùn)行信息的功能。當(dāng)ELS部件的運(yùn)行狀態(tài)信息上傳至網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)將該數(shù)據(jù)與CPO直出光端口的收發(fā)光情況進(jìn)行實(shí)時(shí)交叉驗(yàn)證，從而在ELS部件性能異?；蛑背龉舛丝诋惓r(shí)提前發(fā)出告警，確保網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

展望未來，CPO技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，它可以應(yīng)用于更多的場(chǎng)景中。譬如在GPU Scale-Up互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)前普遍采用銅纜進(jìn)行互聯(lián)。然而，CPO技術(shù)相較于銅纜具有諸多優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)镾cale-Up網(wǎng)絡(luò)帶來更優(yōu)的性能表現(xiàn)。具體而言，CPO技術(shù)能夠提供更大的傳輸帶寬，更好地支撐800G以上的傳輸需求；同時(shí)，它允許跨機(jī)器通過光纖直連，提供遠(yuǎn)超100米的傳輸距離，從而實(shí)現(xiàn)更大的Scale-Up規(guī)模；此外，CPO技術(shù)還能顯著降低線纜的安裝和維護(hù)難度，隨著Scale-Up規(guī)模的擴(kuò)大，銅纜數(shù)量將呈指數(shù)級(jí)上升，其重量和線徑也將給施工和運(yùn)維帶來極大挑戰(zhàn)，而CPO技術(shù)則能有效解決這一問題。

結(jié)語：以CPO技術(shù)驅(qū)動(dòng)光互聯(lián)革新，攜手構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展算力生態(tài)
騰訊網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)始終以前瞻性視野引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，自率先布局CPO技術(shù)研發(fā)以來，歷經(jīng)技術(shù)攻關(guān)，成功實(shí)現(xiàn)Gemini CPO交換機(jī)的規(guī)?；渴鹋c應(yīng)用。這不僅實(shí)現(xiàn)了高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從理論創(chuàng)新到工程實(shí)踐的完整閉環(huán)，更構(gòu)建起支撐后續(xù)發(fā)展的技術(shù)基座。展望未來，騰訊將持續(xù)深化與產(chǎn)業(yè)鏈上下游的戰(zhàn)略協(xié)作，著力打造開放協(xié)同的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，共同推動(dòng)全球數(shù)字化進(jìn)程邁向更高能級(jí)。