Broadcom 和 NVIDIA 的CPO 产品，孰强孰弱？
要深入理解共封装光学技术，让我们更深入地研究 Broadcom 和 Nvidia 的 CPO 产品。我们主要从以下几个方面来对比：
[*]封装带宽
[*]光引擎
[*]光纤耦合
[*]激光集成设计
[*]调制器
[*]波分复用技术
[*]能效与散热设计
01封装带宽
博通去年发布的Bailly CPO交换机采用Tomohawk-5 ASIC芯片，封装内集成八个6.4Tbps光引擎。其总离封装光带宽达51.2Tb/s（64x800 Gbps或128x400 Gbps组合）。这一设计通过硅中介层将光引擎紧邻ASIC布局，前沿密度达到惊人的3.2Tbps/毫米。然而，中介层尺寸限制了可集成光引擎数量，且高密度堆叠对散热系统提出严峻挑战。
图2：Broadcom 的 Bailly CPO ASIC
下一代102.4Tbps CPO交换机预计将采用升级版共封装光学架构，在Tomahawk-6芯片周围布局改进型硅光引擎（每个引擎提供12.8Tbps甚至更高带宽）。这类约100Tbps的交换机有望在今年下半年面世。
博通公司主要生产可供交换机厂商构建系统的芯片。目前多家企业正在不同开发阶段（或早期测试）推进基于Bailly交换芯片的交换机研发。所有这类交换机解决方案均采用单颗Bailly芯片（前面板配置128个400G端口）构建独立系统。
英伟达在GTC 2025大会上公布的共封装光学平台则瞄准更高目标，可扩展至100Tb/s及更高吞吐量。
Quantum-X InfiniBand交换机系统将具备：
• 144个800Gb/s端口（或576个200Gbps端口），总带宽115.2Tbps• 使用Quantum X800专用芯片的四个Quantum-X共封装光学模块• 每个模块提供28.8Tbps带宽（144个200Gbps或36个800Gbps端口）
若要通过28.8Tbps交换机实现115.2Tbps无阻塞交换容量，采用Clos架构需要的交换机数量将远超四台。鉴于系统仅配置四台交换机，这表明该方案并非真正的115.2Tbps全能力交换机。对此您有何见解？
该产品预计将于2025年末正式上市。
图3：Quantum-X 光子学交换机系统
Spectrum-X光子以太网交换机家族将具备：
[*]128个800G端口（或512个200G端口），总带宽102.4Tb/s；
[*]预计采用两个Spectrum-X共封装光学模块，每个模块提供51.2Tbps带宽（64个800Gbps或256个200Gbps端口）；
[*]更高配置版本将支持512个800G端口（409.6Tb/s），可能采用4个共封装光学模块。
与Quantum系列类似，除非在交换机机箱内部部署更多芯片间互联交换机，否则这些配置并非真正的102.4T或409.6Tbps全能力交换机。该系统预计将于2026年上市。就容量而言，博通目前拥有 51.2T 解决方案，符合当前的网络需求（800G 以太网时代，100G SerDes），2025 年路线图为 100Tbps，而 NVIDIA 正在跃升至 100T 到 400T，以满足未来百万 GPU 集群的 200G SerDes 需求。NVIDIA 的更高带宽指标体现了更激进的架构策略，其核心在于通过大规模集成（在系统内部署多个光子交换芯片）实现更高阶交换机设计。
02光引擎
博通Bailly芯片在其ASIC封装内集成了基于硅光技术的6.4Tbps光引擎。这些高密度边缘安装的光引擎通过有机基板上的短距离芯片间连接，直接与核心裸片对接。这种紧密集成带来了更简洁的物理布局。英伟达Spectrum-X（以太网）和Quantum-X（InfiniBand）光子交换机同样采用了多个1.6Tbps硅光光子引擎。每个光子引擎基于台积电COUPE™工艺制造，将电子裸片（EIC）堆叠在光子裸片之上。三个此类引擎组合形成可拆卸的光学子组件（OSA），提供4.8Tbps吞吐量。这意味着光引擎（及其光纤接口）采用可替换模块形式与交换机基板对接，而非像博通方案那样永久固定！
图4：Nvidia 的 CPO 可视化（源自GTC 2025 年）
英伟达的封装方案因此略显复杂。它采用先进的2.5D/3D集成技术（台积电系统级芯片堆叠工艺用于引擎芯片）和面向光学部件的模块化连接系统。这种设计在某种程度上解决了可维护性问题——若制造测试中发现某个插件模块存在故障，可直接更换新模块。
在Quantum-X CPO交换机中，每个ASIC封装包含Quantum X800 28.8Tbps交换芯片核心，并通过六个OSA可插拔模块与主封装体相连。
简而言之，博通的解决方案是采用嵌入式光学元件的单封装交换机，而英伟达则推出配备可拆卸光子模块的创新封装方案。
Spectrum-X CPO模块进一步揭示了小芯片架构细节：主交换核心芯片与八个I/O芯片通过芯片间接口紧密集成，36个光子引擎环绕布置在有机基板上。目前尚未明确这些光子引擎是否属于可拆卸式OSA组件。
图5：Quantum-X 和 Spectrum-X CPO 封装（源自GTC 2025 年）
03光纤耦合
博通公司的共封装光学（CPO）交换机采用光引擎边缘耦合光纤连接方案，实现了高密度端口布局。其光引擎光子芯片通过片上波导传输光信号，这些波导在芯片边缘终止。通过精密对准工艺，采用环氧树脂将光纤永久键合至波导端面。
博通开发了全自动高密度光纤装配工艺，可在光子芯片边缘实现多纤芯精准对准。这种边缘耦合架构在紧凑空间内实现了大量光通道的封装引出。
第一代CPO产品采用400G-FR4方案，通过粗波分复用（CWDM）技术在单根光纤上传输4个100G通道。每个光引擎配置16对光纤（收发各一组成一对），实现6.4T总带宽。据悉，博通正在研发配置64对光纤（每对承载100Gbps）的新版本芯片，以支持更大规模的512×100G端口交换机。
光引擎直接引出的短光纤称为"尾纤"。这些脆弱的短纤需通过机箱内部连接器转接至更耐用的长距离光纤，最终连接到前面板接口。常规方案是将ASIC尾纤在交换机内部转接后，再引至前面板。
英伟达Quantum-X InfiniBand交换机每个CPO封装引出324个光连接。其中288根光纤（144对）支持144×200Gbps传输，剩余36根用于18个光子引擎的激光输入（每个引擎配置两路激光）。
该方案将四对光纤（4×200Gbps）组合为DR4通道，通过多纤推接（MPO）连接器在前端面板集中管理。因此，配置四个CPO封装的交换机系统前端可集成144个MPO连接器。
尽管具体耦合方案尚未完全公开，但推测英伟达可能同样采用光子芯片边缘耦合技术。总体来看，博通通过波分复用技术降低首代CPO光纤数量，而英伟达基于GTC披露的数据显示其未采用波分复用方案，两家企业在超大规模光纤耦合领域都实现了突破性创新。
04激光集成设计
共封装光学（CPO）设计中最重要的考量之一，是如何处理为光学引擎内部调制器提供光源的激光器。
Broadcom 和Nvidia均采用外置激光器方案，将大功率激光器置于主交换芯片封装之外，使用外置可插拔激光器模块（External Laser Source，简称ELS）。这些模块可通过前面板的LC型光纤接口插入，该接口兼容支持热插拔的激光器卡匣。
通过光纤跳线，这些外置激光器模块产生的连续波光被传输至共封装光学引擎。该策略既能降低CPO的整体功耗，又可提升系统可靠性。由于激光器老化速度通常快于其他组件，外置方案可在不影响交换芯片专用集成电路（ASIC）的情况下轻松更换。
以Bailly交换机为例，其搭载16个高效可插拔激光器模块，每个6.4Tbps光学引擎配备两个模块。
英伟达的解决方案更进一步，通过创新架构大幅缩减激光源总量。在Quantum-X光子交换系统中，仅需前面板连接的18个激光模块即可为全部144个800G光学通道提供光源。每个模块集成八个激光器，为八个1.6Tbps光子引擎供能。相较于博通的方案，英伟达架构在单位带宽模块数量上实现了四倍精简。
精简激光器数量虽能减少需要冷却和监控的组件，但也带来潜在风险：单个激光模块故障可能影响更多传输通道。
05调制器
调制器是光引擎内部将电信号转换为光信号的组件。它们接收来自激光器的稳定光源，通过将光转换为强度或相位调制的光数据流，将高速数据编码其上。理解这些调制器的工作原理是一个需要深厚专业知识的深度技术课题。
在不深入技术细节的前提下，简而言之：博通公司很可能采用了马赫-曾德尔调制器（MZM）。这类调制器对激光器不稳定性敏感度较低，且具有更好的温度变化耐受性。但其缺点是功耗较高且占地面积较大。虽然MZM适用于100Gbps信号传输，但当需要扩展至约200G通道和数百Tbps级CPO封装时，就会面临密度和功耗的限制。
这也解释了为何英伟达的CPO解决方案选择了微环谐振调制器（MRM）。这类调制器不仅占地面积更小（扩展性优异），驱动电压需求更低，因此功耗更优。同时它们原生支持波分复用技术（WDM），每个谐振环对应特定波长，完美适配每光纤8至16个波长的系统架构。但这类调制器需要更精细的调谐（因其热敏感性）和强大的数字信号处理逻辑来降低串扰。
英伟达选择MRM方案，充分展现了其在CPO解决方案中追求极致能效的进取策略：MRM的能效约为1-2pJ/bit，而MZM则需要5-10pJ/bit
06波分复用技术
博通采用粗波分复用技术（4λ × 100G配置），通过单根光纤实现400G传输。其技术文档未明确说明800Gbps端口配置的实现方式，可能涉及非标准配置方案，例如将双400G FR4链路进行聚合。另一种可能是该公司正在研发支持DR链路（直接传输，无需波分复用，单纤承载100G）的新一代共封装光学交换机。
英伟达的Quantum-X系统基于各CPO模块的光纤对数与200G端口数量匹配这一事实判断，似乎未采用波分复用技术。
07能效与散热设计
共封装光器件的主要优势在于能效提升。博通与英伟达均报告其方案相较传统可插拔光模块实现了显著的每比特功耗优化。
博通宣称其CPO方案单个800Gb/s端口功耗约5.5W，而同等性能的可插拔模块约为15W。这种三倍能效提升意味着在满载64个800G端口的交换机系统上，可节省数百瓦级功耗。5.5W的功耗对应光链路6-7pJ/bit的能效指标，在2024年处于行业领先地位。
相较于需要冷却数十个15W可插拔器件的传统交换机，CPO系统的散热管理更为简便。不过，对于51.2T级别的CPO交换机，由于ASIC封装模块集中了高功率密度，仍需采用冷板式液冷方案进行高效散热。但常规情况下，该系统仍可兼容高性能风冷方案。
英伟达同样强调其硅光交换机的能效突破：通过采用微环调制器和精简激光器数量，实现网络链路能效提升3.5倍。与博通类似，这类交换机需借助液冷方案对ASIC封装模块进行有效散热。事实上，在GTC大会上展示的Quantum-X CPO方案确实采用了冷板式液冷设计。
总体而言，两种解决方案均实现了更低的皮焦/比特能效指标，为超高带宽网络部署提供了可持续性更强的技术路径。
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