通信行业专题研究：CPO通信器件深度剖析

证券研究报告行业报告：行业专题研究2026年04月16日通信CPO通信器件深度剖析分析师王奕红SAC执业证书编号：S1110517090004分析师余芳沁SAC执业证书编号：S1110521080006分析师唐海清SAC执业证书编号：S1110517030002分析师康志毅SAC执业证书编号：S1110522120002请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明强于大市风险提示：AI发展放缓及下游需求不及预期的风险；国际政治摩擦与贸易壁垒风险；技术工艺升级及渗风险提示：AI发展放缓及下游需求不及预期的风险；国际政治摩擦与贸易壁垒风险；技术工艺升级及渗透率不及预期的风险；行业竞争加剧与大客户依赖风险；核心零部件成本下降不及预期的风险CPO交换机量产落地，英伟达与博通双核驱动引领产业变革面向AI算力对高带宽与能效的极致需求，CPO技术已正式进入量产阶段。英伟达推出Quantum-X与Spectrum-X双平台，其中全球首款CPO以太网交换机已全面量产。博通作为业内领跑者，其交换平台正从51.2T的Bailly向102.4T的Davisson持续迭代演进。两大巨头方案均拥抱台积电先进3D堆叠硅光子引擎技硅光引擎与高密度互连构筑技术壁垒，核心器件占据BOM成本主导台积电COUPE平台利用SoIC3D混合键合技术深度融合PIC与EIC，大幅降低了系统寄生电容与功耗，主导了高速CPO架构的底层器件生态。在光互连端，光纤阵列单元间限制的高密度连接器（如MPO/MPC）有效解决了亚微米级光纤耦合与并行传输难题。架构上采用现场擎与解决上千根光纤走线的高密度混纤盒，构成了当前CPO系统最核心的物料成本。2请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明21、CPO交换机量产落地，英伟达与博通领跑2、台积电COUPE主导器件生态，光引擎与ELS为成本核心3请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明31CPO交换机量产落地，英伟达与博通领跑4请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明41.1英伟达架构：Quantum-X与Spectrum-X双平台落地•英伟达面向扩展网络的CPO交换机平台，包括Quantum-XPhotonics与Spectrum-XPhotonics两条产品线，在GTC2025上首次发布。•Quantum-XPhotonics：液冷InfiniBandCPO交换机系统Q3450（Q3450-LD），搭载四颗Quantum-XASIC，总计144个MPO物理端口，整机全双工带宽达115.2Tbps，单颗ASIC吞吐能力28.8Tbps。•Spectrum-XEthernetPhotonics：CPO以太网交换芯片已进入全面量产阶段，512lane200G-capableCPO以太网交换机系统，已集成至VeraRubin平台中的Spectrum-6SPX网络机架，采用102.4Tb/s交换芯片。•两条产品线均采用TSMC先进3D堆叠硅光子引擎技术（COUPE搭载高输出功率外置激光器（ELS）及直连光纤图：英伟达GTC2026协同设计路线图图：英伟达基于CPO的三种交换机规格请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：英伟达，Semianalysis，天风证券研究所5请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：英伟达，Semianalysis，天风证券研究所61.1.1Quantum-X：115.2T液冷交换机，3D堆叠引擎构筑高带宽底座•Quantum-XPhotonics液冷交换机系统Q3450（Q3450-LD）搭载四颗Quantum-X芯片（ASIC总计144个MPO物理端口，整机全双工带宽达115.2Tbps，单颗ASIC吞吐能力为28.8Tbps。•在架构层面，每颗ASIC集成6个光学子组件，每个子组件包含3个硅光引擎，即单ASIC共18个光引擎。每个光引擎由一个光子集成电路（PIC）与一个电子集成电路（EIC）构成，配置8个发送和8个接收通道。电气端由200GPAM4SerDes驱动，光学端采用8个基于PAM4调制的微环调制器（MRM），单调制器速率200Gbps，因此单个光引擎可提供1.6Tbps带宽，对应单ASIC总光带宽28.8Tbps。•在制造工艺方面，英伟达采用TSMC硅光紧凑型通用光子引擎（COUPE）技术，通过3D晶圆级堆叠（Chip-on-Wafer,CoW）及先进封装，将EIC与PIC实现高密度集成，从而缩短信号路径并提升功率与热效率。图：Quantum-X800ASIC结构拆解表：Quantum-X800ASIC层级拆解层级结构组成数量带宽系统级Quantum-X800ASIC引擎）28.8Tb/s模块级可拆卸光学子组件（OSA）3个硅光引擎4.8Tb/s引擎级硅光子引擎（SiPhEngine）8收8发通道，200Gb/s1.6Tb/s光接口规模光连接324条（36条激光输入，288条数据链路）—请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：NADDOD，天风证券研究所71.1.2Spectrum-X：全面量产的首款以太网CPO，大幅优化光电能效比•Spectrum-XEthernetPhotonics的CPO交换芯片已进入全面量产阶段；作为全球首款全面集成的512lane200G-capableCPO以太网交换机系统，已集成至VeraRubin平台中的Spectrum-6SPX网络机架。•该系统采用102.4Tb/s交换芯片，具备512条200Gb/sCPO通道，并使用多芯片模组封装（SN6800为4芯片并行，可扩展单引擎带宽最高可达3.2Tb/s，从而进一步提升以太网数据中心的光电集成密度。•在能效方面，传统1.6Tbps可插拔光模块功耗约30W，其中超过一半消耗于DSP。通过将硅光器件直接集成至交换机封装内部并取消DSP结构，英伟达CPO方案在系统层面实现了最高可达5倍的光功率效率提升，以及10倍的网络韧性提升（相较传统可插拔收发器）。方案同时减少激光器数量约4倍，从而降低运营成本与网络中断风险，提升AI数据中心的可增长性和可靠性。•面向未来，Kyber（2026/2027）将首次引入copper+CPO的scale-up架构，而Feynman（2028）则将进一步导入（包括NVLink8CPO、Spectrum7、CX10等支撑从芯片到机架再到吉瓦级AI工厂的极端协同设计演进。图：英伟达Spectrum-6规格图请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：博通，Semianalysis，天风证券研究所8•博通是最早实现支持CPO系统的厂商之一，在英伟达加入之前，也是唯一一个发布了配备CPO的生产系统（其Bailly和Humboldt交换机）的厂商。其Tomahawk5–Bailly（TH5-Bailly）为业内首个量产CPO解决方案；该系统基于Tomahawk5交换ASIC构建，整机带宽51.2Tbps，全面采用光I/O架构。•在架构层面，TH5-Bailly集成8个光引擎，每个光引擎带宽6.4Tbps，对应64条100Gbps通道；总计512条。相比上一代Tomahawk4-Humboldt的3.2Tbps光引擎，单引擎通道规模实现提升，提高了带宽密度。•在早期技术路径中，博通曾多次迭代采用SPIL开发的扇出晶圆级封装（FOWLP）方案，但由于寄生电容较大，电信号需通过Through-MoldVias（TMV）传输至电接口芯片（EIC），单通道速率难以扩展至100Gbps以上，限制了系统向更高速率演进•为突破该限制并保持技术领先地位，博通转向基于TSMCCOUPE技术的封装架构，进一步降低信号调理需求，并最大限度地减图：博通Bailly交换机结构图图：TH5-Bailly芯片组请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：Semianalysis，天风证券研究所9•在代际升级路径上，博通进一步推出Tomahawk6–Davisson（TH6-Davisson）102.4TbpsCPO交换平台。TH6-Davisson单调制器速率达到200Gbps，相比Bailly又实现翻倍，并以能效为核心重新设计系统结构。该平台通过异构集成基于TSMCCOUPE技术的光学引擎与先进基板级多芯片封装，相比传统可插拔光模块方案，光互连功耗降低约70%，系统能效提升超过3.5倍，与英伟达方案类似，带来了能源效率的重大突破。图：博通基于CPO的三种交换机规格22台积电COUPE主导器件生态，光引擎与ELS为成本核心请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：英伟达，Semianalysis，天风证券研究所11•硅光引擎（OE）是CPO交换机内部实现高速光电转换的核心模块，用于完成电信号与光信号之间的互连转换。其结构由两部分构成：光学部分（PIC）与电学部分（EIC）。二者通过紧密集成实现电光协同工作，是CPO架构实现高带宽与高能效的关键基础。1）PIC（PhotonicIntegratedCircuit，光子集成电路）•Quantum-X800硅光引擎采用TSMCN6工艺的电光协同设计芯片，集成约2.2亿个晶体管，单片整合约1000个光子器件；典型功耗约9W。•在光子制造平台方面，PIC基于SOIN65节点生产。台积电提供完整的硅光设计与制造支持体系，包括光子电路设计、版图验证，以及涵盖射频、噪声与多波长效应的仿真建模；其300mm硅光PIC平台为大规模生2）EIC（ElectronicIntegratedCircuit，电子集成电路）•核心组件主要包括：高速调制驱动器（Driver）、跨阻放大器（TIA）、控制逻辑电路、加热器控制模块。•TSMCEIC采用N7节点制造，集成高速光调制驱动与信号放大电路，并通过热控制电路实现调制器波长稳定。图：Quantum-•Quantum-X800ASIC基于TSMC4N工艺制造，晶体管规模达1070亿个，吞吐量达到28.8Tb/s。该ASIC与多个硅光引擎协同工作，共同构成CPO交换系统的高带宽基础。此外，台积电逻辑工艺已推进至2nm节点，为未来图：Quantum-图：Quantum图：Quantum-XCPO交换机EIC、PIC实物图XCPO光引擎3）COUPESilicon——台积电硅光3D堆叠方案•COUPE（CompactUniversalPhotonicEngine，紧凑型通用光引擎）是台积电基于SoIC®3D混合键合技术构建的硅光平台，其核心在于通过晶圆级垂直堆叠，将电子集成电路（EIC）直接键合至光子集成电路（PIC）之上，在芯片尺度实现电光单元的紧密耦•与其他键合方法相比，SoIC™混合键合具备更小键合间距与更高互连精度，使PIC–EIC接口组合密度提升至少16倍，寄生电容降低约85%，在相同功耗条件下，可实现约40%的能耗下降或最高170%的速度提升，为高速CPO架构提供低阻抗、低损耗的电气通路。结合浅介质通孔（TDV）结构后，其射频性能进一步优化，仿真数据显示3dB带宽可超过100GHz，能够满足高速SerDes驱动需求。•在光学实现层面，COUPE基于标准3D堆叠框架，可针对光栅耦合（GC）或端面耦合（EC）进行工艺定制，偏向于光栅耦合与微环图：实现PIC-EIC的多种封装方法图：COUPE系统利用TSMC-SoIC™键合技术连接EIC和PIC请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：Semianalysis，《AdvancedCPOIntegratedbyCoWoSandCOUPE》TSMC，天风证券研究所3）COUPESilicon——台积电硅光3D堆叠方案•晶圆级测试结果显示，基于COUPE的光学引擎在晶圆级测试中净插入损耗接近零，光栅耦合器插入损耗≤__1.2dB。•从系统能效角度看，传统铜互连系统功耗通常超过30pJ/bit，传统可插拔光模块方案亦在10pJ/bit以上；而基于COUPE在Interposer上完全集成的光学引擎，单位能耗可降至2pJ/bit以下，同时延迟降低超过95%，体现出明显的功率效率与传输性能优势。•整体来看，COUPE已发展为面向CPO架构的高带宽、低延迟硅光引擎平台。台积电计划未来将基于SoIC的COUPE光学引擎进一步与CoWoS等异构封装体系整合，有望在同一封装内实现逻辑芯片、存储与光引擎的协同布局，从而支撑对高带宽与能效比的需求。•在量产落地阶段，随着CPO封装向大尺寸与多光引擎整合演进，具备系统级先进封装能力的OSAT厂商可能参与后段整合。例如，日月光已展示可在>75mm×75mm封装中整合多个光学引擎与ASIC，实现<5pJ/bit功耗并提升带宽，因此，我们认为，COUPE路径下的CPO封装落地存在由日月光等厂商承接的可能。图：COUPE系统PIC-EIC键合结构图：COUPE系统效率、延迟对比请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：《AdvancedCPOIntegratedbyCoWoSandCOUPE》13TSMC等，天风证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：英伟达，天风证券研究所142.2封装基板与连接器：信号路径缩短，插入损耗显著降低功能：先进的3D集成方案允许电子芯片和光子芯片进行垂直堆叠和互连，通过复杂的封装方法达到很高的集成密度和性能水平。TSV（ThroughSiliconVia）为硅通孔技术，是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片的三维集成堆叠以及芯片英伟达CPO技术将高频电路径缩短至基板内的区区几毫米。通过这种设计，插入损耗从传统插拔式设计的22dB大幅降低至约4dB。这使得信号完整性提升了63倍，从而能够以更低的DSP复杂度和更低的每比特功耗实现更高的数据速率。Q3450-LD型号交换机配备了144个通过直接MPO连接器（DirectMPOconnectors）连接的800Gb/s端口，提供了无与伦比的端口密度和基数，是构建大规模高性能AI网络架构的图：英伟达CPO交换机架构图：英伟达CPO交换机架构请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：半导纵横公众号，先进光子学公众号，天风证券研究所152.3光学阵列器件：FAU与MLA赋能高密度光耦合光纤阵列单元（FAU）是一种高精度无源光器件，通过V型槽基板将多根光纤按预设间距精确排列并固定。光纤耦合——即将光纤与片上波导精确对准以实现平滑高效的光传输——是CPO中至关重要且极具挑战性的步骤，而FAU被广泛用于辅助这一过程。FAU的作用是以低插入损耗将来自硅透镜的光耦合到光纤中。据电子发烧友网Elecfans公众号，随着ScaleUp光互联架构的快速发展，FAU组件的需求显著提升——尤其在共封装光学（CPO）应用场景中，单台CPO交换机所需FAU数量可达传统方案的3至5倍。微透镜阵列（MLA）在一个高度紧凑的封装中提供先进的光束整形、聚焦能力。可用于高密度集成光学的垂直耦合/边耦合一体的微透镜阵列/微棱镜模组如图所示。针对垂直耦合的需求，在模组的一面刻蚀出微透镜阵列，针对边耦合的需求，在模组的另一面图：COUPE-GC与光纤阵列单元集成示意图图：SMO微透镜阵列/微棱镜模组请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：逍遥设计自动化公众号，天风证券研究所162.4光纤耦合方式：边缘耦合与衍射光栅耦合的技术博弈在封装集成光电子器件时面临的一个重要挑战是实现PIC上亚微米波导与光纤之间的高效耦合。光纤耦合有两种主要方法：边缘耦合和1.边缘耦合：边缘耦合涉及将光纤端部与PIC上波导边缘对准。这种方法直观简单，但需要精确对准，并且由于光纤和波导之间的模式不2.衍射光栅耦合：衍射光栅耦合涉及在PIC上使用衍射光栅结构，以实现波导与光纤之间的垂直光耦合。这种方法提供了对准容差的放宽，并且可以实现较低的耦合损耗。但是需要对光栅结图：光纤耦合示意图请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：SENKO扇港公众号，天风证券研究所172.5MPO连接器：SENKO方案突破空间限制，实现高密度并行传输MPO连接器可同时完成多芯光纤的并行传输，大幅提升布线密度。SENKO的MPO连接器组件作为光模块的关键接口，提供了坚固可靠的高密度连接解决方案。MPOEZ-Way连接器采用更低矮的外形设计，与传统MPO连接器相比，可以在光模块接口上安装的MPO连接器数量增加一倍。这种连接器密度的提升增强了光纤管理能力，使得在紧凑的光模块设计中能够支持更高带宽。此外，MT-MPO适配器作为一个关键的桥接组件，可无缝连接MT插芯和MP连接器。MT-MPO适配器具有锁定功能，可将MT插芯固定在适配器内部，从而省去了板后BTW(Behind-the-Wall)MPO连接器的需求，减少了空间占用。图：SENKOMPO连接器请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：SENKO扇港公众号，天风证券研究所182.6MPC：创新微镜阵列设计，实现光纤到芯片直连与极低损耗MPC连接器是一种高密度、高性能的光纤到芯片（Fiber-to-Chip）互连解决方案，专为共封装光学（CPO）和高速数据中心应用设计。随着光模块技术的不断发展，将光高效耦合到光学芯片的需求变得至关重要。SENKO的金属PIC连接器（MPC）可将光直接耦合到芯MPC由冲压金属光学平台构成，包含用于在光纤和光子器件之间折叠和聚焦光束的微镜阵列。微镜设计适用于多模和单模应用，与垂直耦合光纤阵列相比，它可将连接器高度显著降低至0.6mm。图：CPO交换机结构图图：MPC连接器请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：英伟达官网，天风证券研究所192.7外部激光器：集中式模块化供光，大幅提升AI集群网络可靠性英伟达的Quantum-XPhotonics有18个外部激光源每个外部激光源模块内的激光发射器均与一个MPO连接器进行1:1的光映射（每个MPO连接器对应一个专用激光器）。每个激光器支持4×200Gbps的光通道（每个MPO连接器总带宽为800Gbps），所有144个激光器均为4类激光器。Quantum-XPhotonics的外部激光源是高性能、可现场更换的单元。外部激光源模块位于独立于交换机主机箱的专用温控环境中，确保每个激光器都在稳定的温度范围内运行。它能够减少波长漂移，并缓解可能导致早期故障的过早老化机制。这解决了传统数据中心光学器件中最持久的可靠性瓶颈之一，即反复的热循环会迅速降低激光器的寿命，并导致代价高昂的网络中断和维护活动。Quantum-XPhotonics交换机能够集中生成激光器，与传统设计相比，数据中心内的激光器总数减少了四倍。这种整合不仅降低了资本和运营成本，还降低了因单个激光器故障而导致的网络故障概率。每个外部激光源模块均采用模块化和现场营商能够在不影响周边交换机基础设施的情况下更换模块。这种模块化设计与标准调制器外形尺寸兼容，简化了维护工作流程，并支持每个外部激光源包含八个高质量激光器，这些激光器通过光纤精确耦合到光引擎。单个ELS能够为Quantum-X交换机576个发送通道中的32个供电。它为共封装的光子引擎提供稳图：18个外部激光源图：激光发射器请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：英伟达官网，逍遥设计自动化公众号，天风证券研究所202.8多平面光互联架构：边缘高密度排布，1152光纤支撑超大交换容量多平面数据光连接器是Quantum-XCPO交换系统实现超高带宽输出的关键基础设施。该系统通过多平面光连接器结构，将总计1152根单模光纤排列于封装边界，配备144个800GbpsInfiniBand端口。每根光纤支持200Gb/s速率，使整个系统达到115.2Tb/s的交换容量。交换机的架构采用多平面设计，能够高效分配光信号。光纤由MPO光端口进入后，由分路盒分成4条独立的路径，每条路径连接到不同的交换芯片。这种方法有效地将信号源分割成更小的单元。多平面设置允许独立的平面同时运行，优化吞吐量并减少信号拥堵。该架构显著提高了封装边缘带宽密度，是支撑下一代AI集群网络和超大规模数据中心的核心光互连在全球CPO产业生态中，博通正在重新构想高性能交换机环境中光连接的设计和部署方式。博通在其BaillyCPO交换平台中集成了康宁（Corning）提供的精密光纤阵列（FAUs以满足51.2Tb/s标准下的高密度光互连需求。Marvell、SENKO、Jabil和MikrosTechnologies最近也发布了数据中心CPO交换机的参考设计。大型半导体芯片-以太网交换机专用集成电路（ASIC）-周围环绕着16个光引擎模块和1152根光纤（128根激光光纤和1024根数据光纤）。这些光引擎由16个激光模块驱动，这些模块连接到面板上，以便于维护。将激光模块放置在面板上还可以降低其温度，从而提高此外，OIF正通过制定3.2TCPO模块实施协议，重点推进多平面互连中的光接口一致性与外部激光源的模块化，以期在超大规模AI架构中构建开放的CPO生态系统。图：多平面数据光连接器请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：高端芯片产业创新发展联盟公众号，天风证券研究所21Quantum-X光交换机有144根MPO连接器，合计4460亿个晶体管和115然后可以将光纤MPO电缆插入这些端口，以将交换机与其他远程交换机或远程网络接口卡连接。图：144根MPO光纤电缆请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：英伟达官网，天风证券研究所222.10核心BOM成本测算：光引擎与混纤盒构成主要物料成本CPO系统的核心是光引擎。这些光引擎的成本结构相当可观，每个单元完整组装（包括光纤连接单元）的成本约为1,000美元。这意味着仅光引擎的总物料成本就达到35,000至40,000美元（针对3.2T光引擎版本）。对于Nvidia的X800-Q3450CPO交换机，超过1,000根光纤从光引擎中引出，造成了重大的组织挑战。需要混纤盒来组织这些光纤并将其路由到适当的目的地。混纤盒的价格通常与管理的光纤数量相关。例如，T&SCommunications销售48光纤混纤盒售价约150美元，300光纤版本约1,000美元，500光纤型号约1,600美元。对于处理数千根光纤的X800-Q3450，混纤盒将使Nvidia的采购成本超过3,000美元。混纤盒中的主要物料成本组件包括MT插芯（用于平行对准多根光纤）和光纤本身。Molex是另一家相当早进入市场的知名厂商。然而，由于制造效率较低，其产品价格通常比T&S提供的价格高约20%。当前生产规模的NvidiaX800-Q3450CPO交换机每个系统有4个交换芯片，72个光引擎每个运行功率约7瓦，总计504瓦功耗。72个FAU包含在光引擎项目中。有18个外部激光源模块，每个消耗8瓦，总计144瓦。144个MPO连接器和跳线的功耗可忽略不计。混纤盒、按米计量总计2,000米的光纤以及其他杂项组件完成了物料清单，总计70,640美元，占组件成本的100%。假设毛利率为60%，售价达到176,600美元。加上三年服务和保修分配的28,256美元，含服务的总售价为204,856美元。考虑所有系统组件的总功耗为3,548瓦。这些物料成本估算基于当前生产规模，随着产量扩图：英伟达CPO产业链核心供应商3.风险提示1.AI发展放缓及下游需求不及预期的风险：当前CPO技术的核心驱动力高度依赖AI的发展及海量智算需求。若宏观经济波动导致北美云服务商及国内互联网巨头在AI网络基础设施上的资本开支放缓，或大模型迭代速度、AI应用落地不及预期，将直接导致配套的高端CPO交换机及光模块需求不及预期。2.国际政治摩擦与贸易壁垒风险：若未来中美贸易摩擦进一步加剧、关税政策恶化或出现新的技术出口管制，可能引发产业链断裂、3.技术工艺升级及渗透率不及预期的风险：CPO涉及复杂的PIC与EIC晶圆级3D异构堆叠及亚微米级高精度光纤耦合工艺。若前沿封装与对准工艺技术突破遇阻、良率爬坡缓慢，或传统可插拔光模块技术生命周期拉长，将导致CPO产业链推动滞后，CPO交换机在4.行业竞争加剧与大客户依赖风险：随着CPO产业化进程加速，传统光模块龙头与半导体OSAT（外包封测）厂商均积极跨界布局，可能导致行业竞争急剧恶化。同时，当前CPO量产方案主要由英伟达、博通等极少数海外巨头主导，国内相关零部件供应商在早期5.核心零部件成本下降不及预期的风险：当