在过去几十年里，数据中心交换机主要依赖电信号通过铜线进行数据传输。然而，随着数据传输速率从100Gbps向400Gbps、800Gbps甚至1.6Tbps迈进，传统电互联（Electrical Input & Output, EIO）面临三大瓶颈：信号衰减、功耗激增和空间限制。例如，高速信号在长距离铜线传输中会产生严重的信号失真，迫使设计者加入数字信号处理器（DSP）来补偿信号衰减，这进一步推高了功耗和成本。此外，传统可插拔光模块的体积较大，限制了端口密度，难以满足现代数据中心对高带宽密度的需求。

光互联技术的出现为这些问题提供了解决方案。与电信号相比，光信号具有低损耗、长距离传输和高带宽的天然优势。通过将光电转换技术集成到交换机中，OIO、OBO、NPO和CPO等技术在不同程度上缩短了电信号传输距离，降低了功耗，同时提升了带宽密度。这些技术的核心在于如何将光引擎（Optics Engine）与交换芯片（ASIC）更紧密地集成，从而优化性能。

四种光互联技术

1. OIO（Optical Input & Output，光输入输出）

OIO是一种广义的光互联技术，旨在通过高带宽、高密度的光接口解决交换机芯片、CPU、GPU等大容量芯片的输入输出瓶颈。它并非单一的产品形态，而是涵盖了OBO、NPO、CPO甚至未来的OEIC（Optics Electronic Integrated Circuit，光电集成电路）等一系列技术。OIO的核心是将光信号直接用于芯片间的通信，取代传统的电信号，从而突破铜线传输的物理限制。

OIO的典型特点是其高密度和超高带宽。根据IPEC（国际光电委员会）的研究，OIO有望提供比传统EIO高100倍的通道密度，每个通道的带宽也能提升100倍以上。例如，OIO可以通过微环调制器（Micro-Ring Modulator, MR）利用多个波长（WDM）传输数据，实现低功耗、高密度的互联。这种技术尤其适合AI驱动的场景，如GPU集群间的超高速通信。

• 高带宽密度：OIO的总带宽可达40Tbps，带宽密度高达5Tbps/mm，能效低至3pJ/bit，远超其他光互联技术。
• 低功耗：通过减少或消除DSP的使用，OIO显著降低了信号处理功耗。
• 长距离传输：相比电互联，OIO的信号传输距离更长，适合跨板、跨机架甚至跨数据中心的通信。
• 灵活性：OIO可以与计算芯片（如GPU）或交换芯片联合设计，适应多种应用场景。

OIO的优势在于其超高的性能潜力，特别适合AI训练和推理等需要大规模数据传输的场景。例如，NVIDIA的GB200芯片拥有1.8TB/s的片间带宽，未来可能通过OIO实现光通信的支持。 然而，OIO的技术落地难度较高，需要与计算芯片进行联合设计和优化，涉及复杂的物理层和协议层创新。此外，OIO的标准化和产业链协同仍处于起步阶段，短期内难以大规模商用。

OIO主要应用于服务器内部的芯片间通信，例如GPU与GPU、CPU与存储芯片之间的数据传输。它是未来100Tbps以上交换芯片和AI集群的核心技术，预计到2033年市场规模将从500万美元增长到23亿美元。

2. OBO（On-Board Optics，板载光学）

OBO是一种将光引擎安装在与交换芯片ASIC相同的PCB板上的光互联技术。与传统可插拔光模块（Pluggable Optics）相比，OBO将光模块的关键组件（如光引擎和电引擎）围绕ASIC排列，缩短了芯片与光引擎之间的电信号传输距离（通常在15-20cm）。OBO通过PCB走线连接ASIC和光引擎，减少了信号衰减和寄生效应。

OBO最早由COBO（Consortium for On-Board Optics）联盟提出，目标是提升带宽密度并改善电气性能。其典型产品包括支持8通道或16通道的板载光模块，每通道速率最高可达56Gbps。

• 中等集成度：OBO将光引擎从面板移到PCB上，缩短了电信号传输距离，信道损耗控制在15dB以内。
• 多模光纤支持：OBO多基于多模光学技术，适合短距离传输（通常在100米以内）。
• 灵活性与可维护性：OBO保留了部分可插拔特性，光引擎可以通过连接器更换，维护成本较低。

OBO的优势在于其技术成熟度和开放性。相比CPO，OBO的产业链更成熟，易于实现多厂商供应，降低了供应链风险。此外，OBO的维护较为简单，适合需要频繁更换光模块的场景。然而，OBO的带宽密度和功耗优化能力不如NPO和CPO，难以满足超高速率（1.6Tbps以上）场景的需求。

OBO适用于对带宽密度要求较高但不追求极致功耗优化的场景，如中小型数据中心的接入层和汇聚层网络。它是可插拔光模块向更高集成度技术过渡的中间形态。

3. NPO（Near Package Optics，近封装光学）

NPO是OBO的进一步演进，将光引擎放置在与ASIC相邻的高性能基板上，集成度更高。NPO通过高性能基板连接ASIC和光引擎，电信号传输距离进一步缩短至约150mm，信道损耗控制在13dB以内。 国内厂商锐捷网络在2021年推出了全球首款25.6T NPO冷板式液冷交换机，并于2022年展示了51.2T概念机，标志着NPO技术的商用落地。

NPO通常采用硅光技术，通过光纤阵列单元（FAU）实现光信号的输入输出。它支持外置激光源（ELS），提高了系统的灵活性和可维护性。

• 高集成度：NPO的光引擎与ASIC的距离更近，功耗和信号完整性优于OBO。
• 硅光技术支持：NPO多采用硅光光引擎，与CMOS工艺兼容，成本较低。
• 开放生态：NPO的光引擎和交换芯片解耦，支持多厂商供应，产业链成熟度较高。

NPO在功耗、带宽密度和可维护性之间取得了较好的平衡。相比CPO，NPO的实现难度较低，且保留了部分可插拔特性，便于维护。例如，锐捷网络的51.2T NPO交换机支持64个800G端口，并兼容400G端口，展示了其灵活性。 然而，NPO的电信号传输距离仍较长，功耗优化潜力不及CPO，且在超高带宽场景下可能面临瓶颈。

NPO适合需要高带宽密度和低功耗的场景，如大型数据中心的骨干网络和AI集群的L1/L2层交换机。它是CPO大规模商用前的过渡技术。

4. CPO（Co-Packaged Optics，共封装光学）

CPO是将光引擎与交换芯片共同封装在同一基板上的技术，电信号传输距离缩短至50mm以内，信道损耗控制在10dB以下。 CPO通过硅光集成技术将光电转换单元小型化，与ASIC紧密集成，通常采用TSV（Through Silicon Via）或interposer等先进封装技术。CPO的典型产品包括Broadcom和Marvell的51.2Tbps交换芯片，支持100Gbps或200Gbps单通道速率。

CPO的目标是通过极高的集成度实现低功耗、高带宽和低延迟。LightCounting预测，CPO端口的销售量将从2023年的5万增长到2027年的450万，增长潜力巨大。

• 超高集成度：CPO将光引擎与ASIC封装在同一插槽内，极大缩短了电信号传输距离。
• 低功耗：CPO系统功耗可比可插拔光模块降低50%以上，适合AI超算场景。
• 高带宽密度：单模块带宽可达1.6-3.2Tbps，带宽密度为50-200Gbps/mm。
• 硅光引擎：CPO多采用基于马赫-曾德尔调制器（MZ）的硅光引擎，支持高精度信号调制。

CPO的优势在于其卓越的功耗和带宽性能。例如，NVIDIA的Quantum-X800平台推出的Q3450-LD交换机支持144个800Gbps InfiniBand端口，功耗比传统光模块低3.5倍，网络可靠性提高10倍。 然而，CPO的挑战在于其高度集成导致维护困难。一旦光引擎或ASIC故障，需要更换整个封装模块，增加了运维成本。此外，CPO的供应链高度集中，可能导致厂商锁定，限制多源供应。

CPO主要应用于高性能计算（HPC）和AI超算场景，如InfiniBand交换机和以太网交换机。它适合需要极低功耗和超高带宽的L1/L2层网络，但在可维护性和成本优化方面仍需改进。

四种技术的对比

1. 集成度与功耗

OIO的集成度最高，几乎消除了电信号传输，功耗最低，但技术复杂。CPO次之，功耗比可插拔光模块低50%以上。NPO和OBO的集成度依次降低，功耗优化效果也随之减弱。

2. 带宽密度

OIO的带宽密度遥遥领先，适合未来100Tbps以上场景。CPO和NPO的带宽密度较高，分别支持51.2Tbps和25.6Tbps交换机。OBO的带宽密度最低，适合中低速场景。

3. 可维护性

OBO的可维护性最高，保留了可插拔特性。NPO通过解耦设计提供了中等可维护性。CPO和OIO由于高集成度，可维护性较差，故障更换成本高。

4. 产业链成熟度

OBO和NPO的产业链较为成熟，支持多厂商供应。CPO的产业链集中于少数厂商（如Broadcom、Intel），存在供应锁定风险。OIO的产业链尚在起步阶段，需进一步协同。