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CPO 為何把雷射放在外面：熱、光損耗與更換成本的平衡

將光引擎放在晶片附近，與把雷射放在外面，是兩個不同的決定。計算光損耗與故障時的中斷範圍，就能看出外部光源的優勢與代價。

2026.10.24 10:26 KST Updated 2026.10.24 10:27 KST · 15 min read ·

Intel optical I/O chiplet prototype disclosed in 2024, with integrated lasers. Shown as the integrated-source alternative, not an external-laser product. Credit: Intel Corporation. Source: Intel Newsroom.

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把光通訊電路貼在半導體旁邊，電訊號需要跑的距離就變短了。但製造光的雷射，是否也一定要放在它旁邊呢？在 CPO 中，光引擎與雷射的位置是彼此不同的設計決定。

Ayar Labs 將光引擎 TeraPHY 連接到外部光源 SuperNova。相反，Intel 在 2024 年公開的光 I/O chiplet 原型，則把雷射包含在光積體電路中。[1][2] 兩種方式都在運算晶片附近連接電與光。差異在於，要把製造光的零件的熱、組裝與故障一起承擔到什麼程度。

2026-09-16 Ciena 在 ECOC 發表中同時談到光引擎與液體冷卻，也顯示這個問題不會只以一個光元件就結束。[3] 要理解外部雷射的優點，必須先把供應光的路徑與傳送資料的路徑分開來看。

製造光的工作與承載資料的工作不同

運算晶片製造電訊號。在光通訊中，會把這個訊號轉換成光的變化，對面再把那個變化重新讀成電訊號。把資料載到光上的裝置是調變器，讀取到達的光的裝置是光偵測器。

在使用外部光源的結構中，雷射供應連續的光。靠近封裝的調變器把資料載到那道光上。因此，從雷射進入光引擎的光纖，與把調變後的訊號送往對方的光纖，角色不同。這正是可以把光引擎貼近運算晶片、卻把雷射拉開距離的原因。[4]

Separate paths for continuous-wave light, electrical data and modulated optical data. — Figure 1. Light supply and data transmission are separate paths. Conceptual external-laser architecture; not a product layout. VLSI Korea.

既有的可插拔光模組通常位於設備正面。晶片製造的高速電訊號必須經過主機板配線才能到達那個模組。速度愈高，訊號在配線上愈容易變弱，也愈容易受鄰近訊號影響，因此修正這些問題的電路負擔也愈大。

CPO 是縮短這段電氣區間的選擇。只用「光本身總是比較快」來解釋並不充分。能否減少還原電訊號所需的電力與配線空間才是核心。在短距離內，銅連接仍然可能有利，而光轉換也需要電路與電力。

VLSI Korea 的判斷：把光引擎放在晶片附近，是為了縮短高速電氣路徑。把雷射放在外面，是為了單獨管理光源的熱與更換。把兩個決定綁在一起，就看不到設計的代價。

移到外面會帶來什麼好處

外部雷射的第一個優點，是分離管理熱的空間。大型運算晶片周圍本來就是電力與冷卻限制很大的地方。把光源放在外面，光源的設計就不那麼受那顆晶片的配置與冷卻條件束縛。不過「外面」不一定是指機櫃外面。必須以實際設備結構確認，與哪些零件做了熱分離、在哪個位置更換。

第二個是維修單位。當光源變弱時，若能只更換光源模組，就能減少連正常的運算晶片或光引擎一起更換的需要。OIF 的 ELSFP 是處理外部雷射用可拆卸模組與電氣、光學連接的規格。[4] 但可拆卸並不保證更換時服務不會中斷。若沒有備用光源與路徑切換，受該光源供光的連接在更換期間可能會停止。

第三個是把光分配給多條傳送路徑的方式。NVIDIA 在 Quantum-X 設計說明中表示，一個外部光源模組內有 8 顆雷射，該模組供應光給 32 條傳送 lane。[5] 在這裡，雷射、模組與資料 lane 是不同的單位。這個案例不能直接套用到其他公司的封裝或所有 CPO。

就算把 100Tb/s 除開，也算不出雷射數量

把通訊容量除以 lane 速度，可以計算相當於多少條同速度的連接。但光靠這一點，無法知道光纖或雷射的數量。因為一條光纖可以同時乘載多個波長的光，一個光源發出的光也可以分配給多個調變器。

例如 100Tb/s ÷ 200Gb/s = 500 這個算術是對的。但必須先對齊這是雙向合計還是單向、是否包含編碼所用的部分。之後還需要波長數、分配方式、光纖構成與備用路徑。不能直接把它讀成 500 顆雷射或 500 條光纖。

OCI-MSA 的 2026 年光介面規格說明了一種構成：把單方向的訊號分配到 4 個波長，每個波長傳輸 53.125Gb/s。合計為 212.5Gb/s，而這並不表示整個線路速度都是使用者資料。[6] 即使同樣名為「200G」，其中也包含電氣介面與光波長的對應關係。

Four wavelength channels carry 53.125 Gb/s each, adding to a 212.5 Gb/s line rate in one direction. — Figure 2. A line-rate example from OCI-MSA v1.0. Four optical wavelengths do not imply four separate fibers. Opposite-direction traffic and payload overhead are not included in this sum. VLSI Korea.

在設計檢討中，必須在總頻寬旁邊再寫上三項：單方向的實際資料量、每條光纖的波長構成、一個光源負責的傳送路徑。沒有這些資訊，就無法計算連接器數量、故障影響範圍與電力。比起把數字做大，先對齊數字所指的邊界更重要。

把光源放遠的代價是光損耗

在外面製造的光，必須到達光引擎。在通過連接器、經過光纖、分成多條路徑的過程中，每條路徑剩下的光輸出會減少。必須計算把雷射移到外部所獲得的熱管理優點，是否足以補償這份損耗還有餘。

來看一個簡單的虛擬設計。假設每個調變器輸入需要連續光 10mW，並把一個光源平均分配給 4 個輸入。分配以外的傳遞損耗設為 3dB。這不是特定產品的規格或測量值，而是用來說明設計關係的例子。

即使沒有損耗，4 個輸入所需的光輸出合計也是 40mW。為了補償 3dB 損耗，必須送出約 2 倍，因此光源的輸出會變成 10mW × 4 × 10^(3/10) ≈ 80mW。分配本身的份額已反映在輸入數 4 中，因此若再把它當成分配損耗加上去，就是重複計算。

Required source optical power for four inputs at 10 mW each rises with delivery loss. — Figure 3. Illustrative optical budget: four inputs at 10mW each. The horizontal axis excludes ideal four-way splitting, already represented by the four inputs. No product measurement is implied. VLSI Korea.

在相同條件下，若額外損耗為 6dB，則需要約 159mW。光是損耗增加 3dB，所需光輸出就幾乎變成兩倍。這顯示了在增加輸入數或連接器時，為何必須同時看光源輸出與耦合效率。

電氣消耗電力又是另一回事。若把電轉光的效率假設為虛擬的 20%，製造 80mW 所需的轉換電力約為 400mW。這也不是包含驅動器、溫度控制與管理電路在內的模組總電力。不能直接比較光輸出 mW 與設備消耗電力 W。

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實際設計還必須為壽命造成的輸出下降、溫度變化與連接器狀態保留餘裕。另外也不能無限制地注入過強的光，因此必須確認零件的容許範圍。本文的簡單計算是從光源到調變器輸入的預算，調變後到對方接收器為止的鏈路預算必須另行計算。

只把雷射放在外面，溫度問題就結束了嗎

光引擎內的元件也會受溫度影響。利用小型環狀光路徑的 microring 調變器，設計上會在特定波長強烈反應。說明這一點的簡單共振條件是：繞環一圈的光學長度，成為波長的整數倍。隨著材料光學特性因溫度而改變，反應良好的波長也會移動。

因此，即使光源穩定地送光，若調變器沒有對準那個波長，訊號品質也可能變差。NVIDIA 的技術說明也把 microring 的熱敏感度與控制當成單獨的設計問題來處理。[5] 外部雷射只是分離光源的熱條件，並不會消除封裝內光電路的控制需求。

這裡會產生需要區分的故障。究竟是光源輸出減少、連接部損耗變大，還是調變器的工作點改變，維修方法都不同。若只看接收錯誤就先換雷射，可能會換掉正常的零件。必須一起看輸出、溫度與錯誤紀錄，縮小故障區間。

容易更換與少停機是不同的事

共用光源可以減少零件數，但單一零件負責的範圍可能會變大。若多條連接共用一個光源，也必須檢視當那個光源停止時，是否會有多條連接同時受影響。能快速更換模組的優點，與故障時損失的通訊容量是不同的項目。

例如，假設在相同期間發生 1 次故障，其他條件相同。若維修需 5 分鐘且 4 條路徑中斷，影響量為 20 路徑·分鐘。若維修只需 2 分鐘，但 32 條路徑中斷，則為 64 路徑·分鐘。第二種維修較快，但單純合計的中斷影響更大。

A repair-time example compares 4 paths for 5 minutes with 32 paths for 2 minutes. — Figure 4. Illustrative interruption exposure per failure: 20 versus 64 path-minutes. Equal path capacity, one failure and no redundancy are assumed. This is not a reliability or workload benchmark. VLSI Korea.

這個計算也不代表最終稼動率。還必須知道故障頻率、備用路徑，以及實際工作能否繞道。若特定連接被卡住會讓整個工作等待，單純合計可能會低估損失。反之，若繞道容量充足，使用者感受到的影響可能較小。

設計的邊界條件：外部光源的價值，必須同時看「幾分鐘能更換」與「那段時間什麼會停下來」才看得出來。光憑現場可更換這句話，無法判斷無中斷營運。

也有整合雷射的相反選擇

前面看到的 Intel 原型把雷射與光放大器包含在光積體電路中，並與電子電路結合。2024 年發表當時也明示這是原型。[2] 這個案例是外部雷射並非 CPO 定義或必要條件的反例。Intel 的 OCI 產品名稱，與 OCI-MSA 的 2026 年介面規格，也不能當成同一件事。

整合有機會減少從外部光源引入光的連接與組裝步驟。相對地，必須在整合結構內解決光源的製程、熱與檢測問題。外部方式則是分離那個邊界，代價是要管理更多傳遞光的光纖與連接部。哪一種更便宜、更穩定，必須以實際良率、光損耗與維修方式來判斷。

使用外部雷射的 NVIDIA 網路交換器案例，與 Ayar 的運算晶片間連接構想，也不能合併成同一個系統。分離光源的原理可以比較，但通訊方式、延遲要求與連接規模並不會因此變得相同。不能用交換器產品的數字預測任意 GPU 封裝的效能。

產業的價值會在哪個點產生

在這個結構中，稀缺的不只是光源輸出。以低損耗供應所需的光、可重複地組裝封裝與光纖、準確找出故障並維修的能力，都必須同時具備。雷射業者的效能改善可能被連接部損耗掩蓋，好的光引擎也可能因組裝檢測成本而變貴。

因此看供應鏈時，很難把光源、調變器、連接器與封裝只當成各自的成長故事來讀。必須連起來看，某個零件的效能究竟能減少多少其他零件的成本。即使外部光源供應商出現機會，客戶的規格、備用零件政策、檢測與保固成本也會改變獲利能力。採用 CPO 本身並不保證特定業者的利益增加。

若要比較兩個設計方案，先放上相同的資料處理量與相同的使用條件。接著並排確認從光源到調變器的損耗、模組總電力、一次故障的影響範圍與實際更換程序。外部雷射是答案的系統，就是在這個比較中，熱管理與維修的優點能抵銷額外光損耗與連接成本的系統。

CPO 不是把製造光的零件也無條件聚集到晶片旁邊的技術。它是一種設計：讓電訊號路徑變短、把光源配置在好管理的位置，同時承擔兩者之間損失的光與增加的故障邊界。雷射的位置，就是決定那個平衡的選擇。

相關解說：CPO 的結構與 trade-off。

Sources

Update

2026-09-27 修正：改正了可能把 CPO 外部雷射讀成普遍條件的說明，並補強 lane 換算與光源數量的區分、光損耗計算與更換中斷範圍。最初發行日與 URL 維持不變。

Disclosure

本文僅供資訊提供之目的，不構成買入或賣出特定證券的勸誘。本文所含數值與事實，係根據企業揭露、媒體報導、市場調查等公開可得資料撰寫，該資料或撰寫過程中可能發生錯誤。筆者可能持有文中提及企業的股票。所有投資決定及其結果均由讀者自行負責。

常見問題

在 CPO 中把雷射放在封裝外面的原因是什麼？

是為了單獨管理光源的熱與更換。把光引擎放在運算晶片附近，是為了縮短高速電氣路徑，兩個決定是不同的設計判斷。

外部雷射方式在維修上有什麼優點？

可以只更換光源模組。當光源變弱時，能減少連正常的運算晶片或光引擎一起更換的需要。不過，若沒有備用光源與路徑切換，更換期間該連接可能會停止。

NVIDIA Quantum-X 的外部光源構成如何？

公司表示，一個外部光源模組中有 8 顆雷射，該模組供應光給 32 條傳送 lane。雷射、模組與資料 lane 是不同的單位。

外部雷射的光輸出預算如何計算？

在每個調變器輸入需要 10mW、分配給 4 個輸入且傳遞損耗為 3dB 的虛擬條件下，約需要 80mW。若額外損耗為 6dB，則增加到約 159mW，這是用來說明設計關係的例子，不是特定產品的規格或測量值。

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