共同パッケージ化された光学素子（CPO）-高速電気信号をボード全体でフロント パネルのプラグ可能モジュールにルーティングするのではなく、光エンジンをスイッチ ASIC またはプロセッサのすぐ隣に配置する相互接続アーキテクチャです。{{0}{1}} AI データセンターにとって CPO は、従来の光学系が高速で最初に直面する 3 つの制約、つまりビットあたりの電力、帯域幅密度、電気信号の完全性を克服するため重要です。これは新しいモジュール フォーム ファクターではありません。これは、電気機能と光機能がスイッチ内にどのように統合されるかというシステム レベルの変更です。-
この変化はもはや理論的なものではありません。 GTC 2025 で、NVIDIA はシリコン- フォトニクス エンジンをパッケージに統合した Quantum{2}}X および Spectrum-X フォトニック スイッチをデモしました。OFC 2025 では、さまざまなベンダーが ASIC パッケージ内に組み込まれた光学エンジンを展示しました。ほとんどのチームにとっての問題は、もはや CPO が本物かどうかではなく、それがいつどこに適しているかということです。
共同パッケージ光学系とは何ですか?{0}
Co-Packaged Optics は、フォトニック チップレット - とも呼ばれる光学エンジン - を、フェイスプレートから ASIC に近いスイッチ基板に移動します。目標は、チップと信号が光に変換されるポイントの間の電気経路を短縮することです。
従来のプラグ可能アーキテクチャでは、スイッチ ASIC が数センチメートルの PCB 配線にわたって高速電気信号をフロント パネルに取り付けられたトランシーバに送ります。{0}このモデルは成熟しており、柔軟性があり、保守が簡単です。しかし、レーンあたりのレートが 200G 以上に上昇すると、これらの電気パスがシステム全体の電力を消費する割合が増加し、クリーンな設計が難しくなります。-
CPO はジオメトリを変更します。信号は、基板全体で 15 ～ 30 cm 伝わるのではなく、光に変換されるまでに電気的にわずか数ミリメートル伝わります。実際の効果を一言で言えば、光 I/O がチップの近くに移動するため、スイッチははるかに少ない電気的負担でより多くの帯域幅を拡張できるようになります。
CPOはシリコンフォトニクスと同じですか?
いいえ、区別が重要です。シリコン フォトニクスは、フォトニック集積回路の構築に使用される製造プラットフォームです。 CPO は、次のようなシステム アーキテクチャです。用途シリコンフォトニクスは、それを可能にするテクノロジーの 1 つです。たとえば、NVIDIA のフォトニクス エンジンは、フォトニック ダイの上に電子ダイを積層する TSMC の COUPE プロセスに基づいて構築されています。- シリコン フォトニクスが構成要素であり、CPO はそれをスイッチに組み込む方法です。
AI データセンターが光学素子をチップに近づける理由
AI クラスタは、GPU、アクセラレータ、ストレージ、スイッチ間で激しい東西トラフィックを生成します。{0}トレーニングと推論のワークロードでは、厳しいレイテンシと一貫性の要件のもとで膨大な量のデータが移動され、ネットワーク ロードマップはフロント パネルの光学系が快適に提供できる範囲を超えています。-
3 つの圧力が変化を推進し、それらが互いに重なり合います。
帯域幅は電気的到達距離よりも速く拡大しています。ネットワークは 400G から 800G に移行しており、1.6T 光モジュールは、2025 年から 2026 年頃に早期の商業展開が開始されると予想されています。スイッチ ASIC の帯域幅は 18 ～ 24 か月ごとに約 2 倍になる一方で、SerDes レートが高くなると使用可能な銅線の電気到達距離が縮小するため、フロント パネルのプラグイン可能なモデルは 102.4 Tbps スイッチ世代あたりで壁にぶつかります。-
ビットあたりの電力は施設レベルの数値になりました。-これは、調達の決定を実際に動かす指標です。従来の 800G プラグイン可能モジュールは、ビットあたりおよそ 15 ～ 20 ピコジュールで動作します。 CPO の実装は約 5 pJ/ビットを目標にしており、それ以下の信頼できるパスがあります。独立したデモがこれを裏付けています -Intel の光 I/O チップレットは約 5 pJ/ビットを消費しますが、プラグ可能モジュールの場合は約 15 pJ/ビットです。。大規模なトレーニング クラスター内の数十万のポートにわたって、ポートごとに 10 ～ 15 ワットを節約すると、建物レベルではメガワットに達します。単一のハイエンド ラックの消費電力は数百キロワットと予測されており、ネットワークで消費されなかったすべてのワットがコンピューティングに利用できます。-
-前面パネルの密度は上限が厳しいです。帯域幅が増えると、ポート、ケーブル配線、熱が増加し、エアフローが難しくなります。フェイスプレートの数には限りがあり、プラグイン可能なケージがそれを奪い合っています。変換を基板上に移動すると、その幾何学的制限がなくなります。
これが、CPO が大規模な AI、HPC、クラウド、ハイパースケール環境 -、これら 3 つのプレッシャーが最初に到達する場所に最も関連している理由です。すべてのデータセンターのすべてのモジュールを置き換えるように設計されているわけではありません。
CPO アーキテクチャの概要
CPO を単一のものではなく、一連の構成要素として考えると役立ちます。それぞれが問題を新しい場所に移します。
| ビルディングブロック | 何をするのか | CPO においてそれが重要な理由 |
|---|---|---|
| スイッチASIC | トラフィックを切り替えます。高速 I/O レーンをホストします- | 容量が増加すると、レーン数とレーン速度の両方が上昇し、電気到達距離に負担がかかります |
| 光学エンジン（フォトニックチップレット） | 電気を光に変換し、その逆を行う | ASIC基板の上または横に設置し、電気経路をミリ単位まで縮小します。 |
| 外部レーザー光源 | エンジンが変調する光を供給します | 信頼性を高めるため、パッケージの最も高温になる部分を避けてください。多くの場合、最も故障しやすいコンポーネントに対処するために、-現場で交換可能です- |
| ファイバー-と-チップの結合 | ファイバーアレイとコネクターをエンジンに位置合わせします | --ボックス内では、ファイバーのルーティングとアライメントの公差が設計の一次懸念事項になります。- |
| 管理と監視 | 診断、障害切り分け、温度テレメトリー | エンジンは交換可能ではなく統合されているため、プラグ可能よりもはるかに重要です。 |
レーザー戦略は、ベンダーが保守性の問題を静かに解決する場所であるため、検討する価値があります。レーザーは光リンクの中で最も故障しやすい部分であるため、多くの設計ではプラグ可能な外部レーザーを使用しています。-たとえば、NVIDIA のフォトニック スイッチは、単一の交換可能なレーザー モジュールから 8 つの 1.6 Tbps エンジンに電力を供給するため、帯域幅単位あたりに必要なレーザーの数も削減されます。運用上の観点から見ると、レーザーの死の主な指標は、光出力が平坦なままレーザー バイアス電流が着実に上昇することです - 監視システムは、受信電力のみに依存するのではなく監視する必要があるテレメトリーを監視する必要があります。
光学系が ASIC に近づくと具体的に何が変わるのでしょうか?
「CPO が何を変えるか」は、ほとんどの概要が曖昧なままになっている部分です。具体的には、一度に 5 つのことが変更されるため、CPO を評価するチームは、単一の取引としてではなく、それぞれについて個別に検討する必要があります。
スイッチのデザイン。光学部品は、オペレータが在庫する交換可能なモジュールではなくなり、OEM が設計するボードの一部になり始めます。長い PCB トレースに合わせて信号を調整する DSP リタイマーは、多くの場合完全に削除できます。これにより、省電力の大きな効果が得られます。
熱管理。光学エンジンは現在、高出力 ASIC の横に配置されています。{0}レーザー、変調器、特にリング共振器は温度に敏感です--リング-ベースの設計では、フォトニック IC を一定の温度に保つために小さなヒーターを一定に制御する必要があります。-スイッチ内部のサーマルゾーンは後付けではなく設計上の問題になります。
繊維管理。基板上で変換が起こるということは、ファイバーを配線、固定、位置合わせする必要があることを意味します内部箱。コネクタの信頼性、曲げ性能、および位置合わせの許容差は、「ケーブル配線の問題」から「システムの歩留まりの問題」へと移行しています。
メンテナンス。技術者はフロント パネルのトランシーバーを数秒で取り外して交換できます。-共同パッケージ化されたエンジンをそのように交換することはできません。-予備、修理、障害分離、およびオペレーターが「爆発半径」と呼ぶもの - 1 つの要素に障害が発生したときにどれだけ低下するか - すべてが変化します。
調達とライフサイクル。プラガブルにより、オペレーターは複数の相互運用可能なベンダー、簡単なスペア、増分アップグレードを活用できます。より統合された光学システムにより、その分野が狭まり、光学系がスイッチのライフサイクルに結び付けられます。これは光学性能とは関係のない実際のコストです。
正直にまとめると、CPO は単に電力を下げるだけではないということです。これにより、複雑さ - が電気経路からパッケージング、熱設計、歩留まり、および現場での運用に移されます。
CPO vs プラガブルオプティクス vs LPO: どれを選ぶべきですか?
CPO は通常、従来のプラガブル オプティクスとリニア プラガブル オプティクス (LPO) という 2 つの選択肢と比較して検討されます。これらは関連していますが、解決する問題は異なります。多くのチームにとって、現実的な短期的な選択は、プラガブルと LPO の間であり、CPO は次世代プラットフォームに向けて追跡されます。-
| 建築 | 光学系が配置されている場所 | 主な利点 | 主な制限事項 | ベストフィット |
|---|---|---|---|---|
| プラグイン可能な光学系 | フロント パネル モジュール ケージ- | 成熟した、マルチ{0}}ベンダー、ホットスワップ可能、標準-ベース- | ビットあたりの電力が高く（800G で約 15 ～ 20 pJ/ビット）、高速での電気的到達限界に達します。{3} | 広範なデータセンター、エンタープライズ、通信環境への展開 |
| LPO | フロント パネルのプラグイン可能なフォーム ファクタ、簡素化された信号パス- | オンボード DSP を削除します。通常、DSP- ベースのプラガブルよりも消費電力が 30 ～ 50% 低く、プラガブルな運用モデルを維持します | より厳密なシステム-レベルの信号整合性制御-が必要です。リーチが短い | 短距離-電力に敏感な AI リンク- |
| CPO | スイッチASIC基板上の光学エンジン | 最高の帯域幅密度と最低のビットあたり電力 (~5 pJ/ビット目標)。フロントパネル密度の上限を削除します- | 保守性、パッケージング、熱設計、エコシステムの成熟度の向上 | 大規模な AI / HPC スイッチング、特にスケールアップ ファブリック- |
実践的な意思決定の枠組み:
- プラグ可能な光学系を選択する運用の柔軟性、マルチベンダーのスペアリング、現場での迅速な交換が最も重要な場合、-、これは依然としてほとんどのネットワークです。
- LPOを検討する短距離での低消費電力と遅延が必要だが、使い慣れたプラグイン可能なモデルを維持したい場合。 LPO はリスクの低い橋であり、著名な支持者がいます。-OFC 2025 で Arista の共同創設者である Andy Bechtolsheim 氏は-こう続けましたLPO が短期的にはより良い選択肢であると主張する{0}}.
- CPOを追跡する帯域幅密度、ビットあたりの電力、800G を超える長期スケーリングが、モジュール-レベルの保守性 - よりも重要な場合、特に AI クラスタ内のスケールアップ ファブリックの場合。-
最も役立つフレームワーク: CPO はモジュール購入の決定ではなく、スイッチ システム アーキテクチャの決定です。{0}}そのように扱えば、混乱のほとんどは解消されます。
AI ネットワーク用の共同パッケージ化された光学系の利点{0}
最大の利点は、大規模な電力効率です。 Broadcom は、CPO プラットフォームにより、1 ミリメートルあたり 1 Tbps 程度の帯域幅密度に加えて、ビットあたり約 30% の省電力と 40% の光コストの削減を実現していると主張しています。 -ビット ギャップあたりのエネルギー- - は、プラガブルでは約 15 pJ/ビットであるのに対し、CPO では 5 pJ/ビットの目標-が、大規模クラスタ全体で施設レベルのメガワットに変わります。-
2 番目の利点は帯域幅密度であり、これは漸進的ではなく構造的なものです。 CPO は、フェイスプレートをエスケープすることで、スイッチ容量が約 102.4 Tbps を超えると、プラグ可能な設計を制約するフロント パネルの天井を取り除きます。-信号パスが簡素化されるとレイテンシーも改善されますが、レイテンシーは光学エンジンだけでなく常にシステム全体のレベルで判断する必要があります。
信頼性に関するデータも届き始めており、これは長らく「有望」にとどまっていたテクノロジーにとって重要だ。 2025 年 10 月、Broadcom は、Meta が自社の CPO ソリューションを高温ラボの特性評価でリンク フラップが 1 つも発生しない状態で 100 万リンク-時間テストしたと報告しました。-これは、実稼働環境で保守不可能な光学素子を信頼する前にオペレータが必要とする種類の証拠です。-
CPO の課題と導入の障壁
課題は現実のものであり、そのほとんどは光学的なものではありません。それは、パッケージング、熱、運用、およびエコシステムの問題です。
熱管理が一番難しいです。エンジンは高温の ASIC の隣に設置されており、特にリング共振器は-波長 - を維持するためにアクティブな加熱を必要とするため、設計ではエンジンが生成する熱と依存する熱の両方を管理する必要があります。温度ドリフトは長期的な信頼性を直接脅かします。-
包装と収量次に来てください。電子ダイとフォトニクス ダイを相互に統合するには、高度なパッケージング、厳密な位置合わせ、そしてまだ成熟しているテスト方法が必要です。-多くの場合、生の光学性能ではなく、歩留まりと製造容易性が大量生産の妨げとなります。
保守性と爆発範囲運用モデルを変更します。プラグイン可能なレーザー光源は最悪の状況を軽減しますが、オペレーターは依然として単純な「プルアンド交換」ワークフローと複数の交換可能なベンダーの快適さを失います。
エコシステムの準備状況それを結びつけます。 CPO は、スイッチ-シリコン ベンダー、光-エンジン サプライヤー、レーザー メーカー、ファイバー-接続プロバイダー、パッケージング パートナー、クラウド オペレーター間の調整に依存しており、光インターネットワーキング フォーラム (OIF)そしてIEEE。その調整は形成されつつありますが、まだ完了していません。
市場のコンセンサスはこれを反映しています。アナリストでさえテクノロジーに対して強気の見方をしている -SemiAnalysis では、短期的にはハイパースケーラー間でスケールアウト CPO が急速に普及することはないと予想しています。{0}たとえ同じ事業者がサプライヤーにスケールアップを約束したとしても、- CPO は、非常に大規模な AI ファクトリー、ハイパースケール ファブリック、HPC クラスターなど、複雑さを明らかに正当化できるメリットがある場合に最初に成長します。
AI データセンターはどのような場合に光の同時パッケージ化を検討すべきですか?{0}
ロードマップに非常に高い基数スイッチ、800G または 1.6T リンク、大規模 GPU クラスタ、または厳格なビットあたり電力目標-が含まれている場合、特に現在の設計が電力、冷却、信号整合性、またはフェイスプレート密度によってすでに制約されている場合は、CPO に細心の注意を払ってください。{0}{0}{4}プラガブル アーキテクチャのスケーリングのコストと難易度が上昇し続けると、CPO のトレードオフが有利に見え始めます。-
運用の柔軟性、迅速な交換、幅広いサプライヤーの選択肢、段階的なアップグレードを優先する場合、CPO はおそらく直ちに適切な行動ではありません。ほとんどのエンタープライズおよび汎用データセンターでは、現在でも成熟したプラガブル光ファイバーが最適であり、LPO は、短距離-で電力に敏感なリンク用の低電力オプションとして-使用されています。{4}}
CPO はプラガブル光学部品に取って代わるのでしょうか?
近い将来にはそうではありません。プラガブル トランシーバは、成熟したサプライ チェーン、広範な標準サポート、マルチベンダーの相互運用性、実証済みの運用モデルを備えており、ほとんどのデータセンター、エンタープライズ、通信、クラウド アプリケーションに引き続きサービスを提供します。-導入可能な CPO 製品は 2025 年にのみ登場-2026 年には次世代スイッチ プラットフォームで最初のハイパースケール スケールアウト展開が予定されています。{0}{2}
より明確な図は、階層化されたエコシステムです。プラガブル光学系は引き続き主流です。 LPO は、プラグ可能なモデルを維持する低電力ブリッジとして機能します。-そして、CPO は、帯域幅、電力、密度が AI ファブリックのスケールアップにおいてフロント パネルの光学素子ができることを押しのける中心となり、-AI ファブリックのスケールアップにおいて最も決定的な役割を果たし、-この 10 年間後半の帯域幅増加の主な推進力となると考えられています。未来は 1 つのアーキテクチャが勝つわけではありません。それぞれが異なるパフォーマンス、コスト、運用要件に適合します。
よくある質問
Q：CPOとは何の略ですか？
A: CPO は Co{0}}Packaged Optics の略で、光学エンジンをフロント パネルではなくスイッチ ASIC またはプロセッサ パッケージの近くに配置するアーキテクチャです。
Q: CPO はシリコンフォトニクスと同じですか?
A: いいえ。シリコン フォトニクスは、フォトニック集積回路を構築するための製造プラットフォームです。 CPO は、シリコン フォトニクスを実現技術として使用できるシステム アーキテクチャです。
Q: CPO と LPO の違いは何ですか?
A: LPO はプラガブル モジュールの形式を維持しますが、オンボード DSP を削除して電力と遅延を削減し、DSP- ベースのプラガブルと比較して通常 30 ～ 50% を節約します。 CPO は光学エンジンを ASIC 基板上に移動し、システム アーキテクチャをより根本的に変更します。
Q: CPO は実際に消費電力を削減しますか?
A: 長い電気トレースと DSP リタイマーを排除することで、ビットあたりのエネルギーをプラガブルの約 15 pJ/ビットから 5 pJ/ビットの目標 - に向けて大幅に削減します。-。ニュアンスに注意してください。CPO はビットあたりの効率は高いですが、レーザーやリング共振器は熱制御などのために依然として電力を消費するため、本質的に低電力コンポーネントではありません。-
Q: シリコンフォトニクスは CPO においてどのような役割を果たしますか?
A: シリコン フォトニクスは、ほとんどの CPO 設計の中心となる統合光学エンジンを提供します。 TSMC の COUPE プロセス - のように電子ダイをフォトニック ダイ - に積み重ねることにより、光学エンジンがスイッチ基板上に配置されます。
Q: CPO の導入に対する主な障壁は何ですか?
A: ホット ASIC の隣にある熱管理、パッケージングと歩留まりの複雑さ、現場での保守性の低下と爆発範囲の拡大、エコシステムと標準の成熟度。これらはいずれも主に光学性能に関するものではありません。
Q: CPO はまだ市販されていますか?
A: 導入対応-製品は 2025 年に登場し、Broadcom の Meta による 1{2}}00 万-リンク- 時間のテストなどの信頼性に関するマイルストーンが達成されました。最初のハイパースケール スケールアウト展開は 2026 年に予定されていますが、広範な導入は段階的かつ不均一になるでしょう。{6}}
Q: エンタープライズ データ センターは現在 CPO を考慮する必要がありますか?
A: ほとんどの企業では、即時購入としてではありません。これはロードマップの入力として理解する価値がありますが、帯域幅、電力、または密度が本当に変更を強いられるまでは、プラガブル光学系 - と電力に敏感な短距離用の LPO - - の方がより適合し続けます。
結論
共同パッケージ化された光{{0}は、高速データセンター ネットワーキングにおける最も重要なアーキテクチャの変化の 1 つです。-光変換をスイッチ基板に移すことで、ビットあたりのエネルギーが 5 pJ/ビットに削減され、帯域幅密度がフロント パネルの上限を超えて向上し、AI および HPC ネットワークに 800G および 1.6T を超えて拡張するパスが与えられます。-証拠はスライドウェアから出荷製品と実際の信頼性データに移りました。
ただし、CPO はプラグイン可能な光学部品のドロップイン代替品ではありません。{0}これにより、電気-リーチの問題が、梱包、熱、ファイバー-管理、運用の問題と引き換えにされ、事業者が慣れ親しんでいる調達の幅が狭まります。-。ほとんどのチームにとって、適切な姿勢は階層化されています。つまり、成熟したプラガブル光学系を適切な場所に維持し、低消費電力の短距離には LPO を使用し、次世代の高密度 AI および HPC ファブリック、特にスケールアップに向けて CPO を追跡します。{{6}{6}{8}重要な考え方の変化は単純です。CPO はモジュール購入の決定ではなく、スイッチ-システム アーキテクチャの決定-であり、その点に基づいて、すでに深刻な AI ネットワーク ロードマップの議論に含まれています。
