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不斷增長的 AI GPU 集群之間對通信的極高需求，正推動著人們轉向使用光進行跨網(wǎng)絡層通信。今年早些時候，Nvidia 宣布其下一代機架級 AI 平臺將采用硅光子互連技術與共封裝光學器件 (CPO)，以實現(xiàn)更高的傳輸速率和更低的功耗。在今年的 Hot Chips 大會上，Nvidia 發(fā)布了有關其下一代 Quantum-X 和 Spectrum-X 光子互連解決方案的更多信息，并透露了它們將于 2026 年上市。

Nvidia 的路線圖很可能與臺積電的 COUPE 路線圖緊密相關，后者分為三個階段。第一代是用于 OSFP 連接器的光學引擎，可提供 1.6 Tb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率，同時降低功耗。第二代將采用 CoWoS 封裝技術，并采用同封裝光學器件，在主板級別實現(xiàn) 6.4 Tb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率。第三代的目標是在處理器封裝內實現(xiàn) 12.8 Tb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率，并進一步降低功耗和延遲。

為什么是 CPO？

在大規(guī)模 AI 集群中，數(shù)千個 GPU 必須像一個系統(tǒng)一樣運行，這給這些處理器的互連方式帶來了挑戰(zhàn)：每個機架不再擁有自己的一級（架頂式）交換機，并通過短銅纜連接，而是將交換機移至機架末端，以便在多個機架之間創(chuàng)建一致、低延遲的結構。這種遷移極大地延長了服務器與其第一個交換機之間的距離，這使得銅纜在 800 Gb/s 這樣的速度下變得不切實際，因此幾乎每個服務器到交換機以及交換機到交換機的鏈路都需要光纖連接。

在這種環(huán)境下使用可插拔光模塊存在明顯的局限性：此類設計中的數(shù)據(jù)信號離開ASIC，穿過電路板和連接器，然后才轉換為光信號。這種方法會產(chǎn)生嚴重的電損耗，在200 Gb/s通道上損耗高達約22分貝，這需要使用復雜處理進行補償，并將每個端口的功耗增加到30W（這又需要額外的冷卻并造成潛在的故障點）。據(jù)Nvidia稱，隨著AI部署規(guī)模的擴大，這種損耗幾乎變得難以承受。

CPO 通過將光轉換引擎與交換機 ASIC 并排嵌入，避免了傳統(tǒng)可插拔光模塊的缺點，信號無需通過長距離電氣線路傳輸，而是幾乎立即耦合到光纖中。因此，電氣損耗降低至 4 分貝，每端口功耗降至 9W。這種布局省去了眾多可能出現(xiàn)故障的組件，并大大簡化了光互連的實施。

Nvidia 聲稱，通過放棄傳統(tǒng)的可插拔收發(fā)器，并將光學引擎直接集成到交換機芯片中（得益于臺積電的 COUPE 平臺），其在效率、可靠性和可擴展性方面實現(xiàn)了顯著提升。Nvidia 表示，與可插拔模塊相比，CPO 的改進非常顯著：功率效率提高了 3.5 倍，信號完整性提高了 64 倍，由于有源設備減少，彈性提高了 10 倍，并且由于服務和組裝更簡單，部署速度提高了約 30%。

以太網(wǎng)和 InfiniBand 的 CPO

Nvidia 將推出基于 CPO 的光互連平臺，適用于以太網(wǎng)和 InfiniBand 技術。首先，該公司計劃在 2026 年初推出 Quantum-X InfiniBand 交換機。每臺交換機將提供 115 Tb/s 的吞吐量，支持 144 個端口，每個端口的速率為 800 Gb/s。該系統(tǒng)還集成了 ASIC，具有 14.4 TFLOPS 的網(wǎng)絡內處理能力，并支持 Nvidia 的第四代可擴展分層聚合縮減協(xié)議 (SHARP)，以降低集體操作的延遲。這些交換機將采用液冷散熱。

與此同時，Nvidia 計劃于 2026 年下半年通過其 Spectrum-X Photonics 平臺將 CPO 引入以太網(wǎng)。該平臺將基于 Spectrum-6 ASIC，為兩款設備供電：SN6810 提供 102.4 Tb/s 帶寬，擁有 128 個 800 Gb/s 端口；SN6800 則可擴展至 409.6 Tb/s，擁有 512 個 800 Gb/s 端口。兩款設備也都采用液冷技術。

Nvidia 預計其基于 CPO 的交換機將為日益龐大、日益復雜的生成式 AI 應用提供新的 AI 集群支持。由于使用 CPO，此類集群將減少數(shù)千個分立組件，從而實現(xiàn)更快的安裝速度、更便捷的維護，并降低每個連接的功耗。因此，使用 Quantum-X InfiniBand 和 Spectrum-X Photonics 的集群在啟動時間、首次令牌時間和長期可靠性等指標方面均有顯著提升。

Nvidia 強調，共封裝光學器件并非可選增強功能，而是未來 AI 數(shù)據(jù)中心的結構性要求。這意味著該公司將把其光互連技術定位為超越 AMD 等競爭對手的機架級 AI 解決方案的關鍵優(yōu)勢之一。當然，這也是AMD 收購 Enosemi 的原因。

未來之路

關于Nvidia的硅光子計劃，需要注意的一點是，其發(fā)展與臺積電COUPE（緊湊型通用光子引擎）平臺的發(fā)展緊密契合。后者預計將在未來幾年內不斷發(fā)展，從而提升Nvidia的CPO平臺。臺積電第一代COUPE采用該公司的SoIC-X封裝技術，將65納米電子集成電路（EIC）與光子集成電路（PIC）堆疊在一起。臺積電聲稱，其 SoIC-X 互連具有極低的阻抗，這意味著 COUPE 在功耗方面非常高效。

關于Nvidia的硅光子計劃，需要注意的一點是，其發(fā)展與臺積電COUPE（緊湊型通用光子引擎）平臺的發(fā)展緊密契合。后者預計將在未來幾年內不斷發(fā)展，從而提升Nvidia的CPO平臺。臺積電第一代COUPE采用該公司的SoIC-X封裝技術，將65納米電子集成電路（EIC）與光子集成電路（PIC）堆疊在一起。臺積電聲稱，其 SoIC-X 互連具有極低的阻抗，這意味著 COUPE 在功耗方面非常高效。

COUPE 的發(fā)展軌跡主要分為三個階段。臺積電的首款硅光產(chǎn)品是一款用于 OSFP（八進制小型可插拔連接器）的光學引擎，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達 1.6 Tbps，是目前頂級銅纜以太網(wǎng)解決方案最高速率的兩倍。這一初始版本不僅承諾提供卓越的帶寬，還提升了能效，解決了現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的兩個關鍵問題。后續(xù)幾代 COUPE 旨在進一步突破極限。

第二代硅光產(chǎn)品將 COUPE 集成到 CoWoS 封裝（硅基晶圓芯片封裝）中，并將光學器件與交換機集成封裝。這將實現(xiàn)高達 6.4 Tbps 的主板級光互連。

第三代產(chǎn)品的目標傳輸速率高達 12.8 Tbps，旨在集成到處理器封裝中。該版本仍處于探索階段，尚未確定發(fā)布時間表。臺積電表示，正在考慮進一步降低功耗和延遲。