光子技術(shù)（Photonics）在數(shù)據(jù)中心加速 AI 方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

數(shù)據(jù)顯示，全球光學(xué)元件市場去年規(guī)模達(dá)到 170 億美元。從市場歷史來看，電信行業(yè)（如海底電纜和光纖到戶）主導(dǎo)著市場的核心需求。然而，隨著AI驅(qū)動的數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展，數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域正在后來居上，市場份額甚至占據(jù)了60%以上。

這種市場需求的轉(zhuǎn)變也驅(qū)動著光學(xué)技術(shù)快速發(fā)展。為了跟上AI集群不斷提升的集群規(guī)模和性能，光傳輸速率正在迅速提高，并且深刻影響著數(shù)據(jù)中心未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

圖一：光學(xué)元件市場歷史和預(yù)測。

摩根大通市場數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前光學(xué)元件市場最大的供應(yīng)商是 Coherent 和 Innolight（各占 20% 的市場份額），Broadcom緊隨其后，市場份額約為10%，還有很多份額較小的供應(yīng)商參與市場競爭，眾多供應(yīng)商也造就了光學(xué)生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)下的繁榮。

大模型驅(qū)動數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)高速增長

大型語言模型 （LLM） 正在推動 AI 工作負(fù)載呈指數(shù)級增長。

隨著大模型能力的進(jìn)步，以及越來越多人開始使用生成式AI，大模型的持續(xù)訓(xùn)練、智能體帶來的海量推理需求，都要高性能的AI集群做支撐，并且數(shù)據(jù)處理需求也日益增長，還需要大量的內(nèi)存和存儲資源。

因此，保持高效的數(shù)據(jù)傳輸和資源分配是滿足AI應(yīng)用的關(guān)鍵，這也需要眾多GPU之間協(xié)同工作，GPU之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。如今，互聯(lián)需求的增長速度超過了 XPU 本身的數(shù)量，迫切需要高帶寬、低延遲的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

Broadcom公司就認(rèn)為，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)成本正在攀升，從目前資本支出的 5% 到 10%，預(yù)計到 2030 年將達(dá)到 15% 到 20%。

圖二：AI集群規(guī)模呈現(xiàn)爆炸性增長趨勢

當(dāng)下，無論是云服務(wù)商，還是AI巨頭，其AI集群規(guī)模均在持續(xù)膨脹，網(wǎng)絡(luò)壓力在持續(xù)增加。例如，Oracle 云基礎(chǔ)設(shè)施 （OCI） 正在部署具有 131000 個 Nvidia Blackwell GPU 的集群，這些 GPU 通過 NVLink72 互連。

圖三：OCI AI超級集群

橫向擴(kuò)展與縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)

如今，依靠傳統(tǒng)的互聯(lián)方案，已經(jīng)無法滿足AI集群所需要的高性能需求，甚至?xí)?dǎo)致延遲和帶寬瓶頸，嚴(yán)重阻礙AI集群的表現(xiàn)。

傳統(tǒng)電氣互聯(lián)方案存在致命弱點，那就是距離問題。在較長距離上，信號會出現(xiàn)衰減。并且，在100G甚至即將到來的200G連接中，還會受到單個機箱的限制。隨著連接需求超越機箱，擴(kuò)展到跨機架甚至多機架規(guī)模，就需要采用可插拔光學(xué)連接。

如今，光學(xué)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在AI集群的性能表現(xiàn)上扮演著至關(guān)重要的角色。它們直接影響到模型的速度、效率、可擴(kuò)展性，以及適應(yīng)不斷變化的需求和滿足用戶需求的能力。

在 AI 數(shù)據(jù)中心中，基于光學(xué)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要有兩種類型：

• 橫向擴(kuò)展 ：光鏈路跨機架和行連接交換機。

• 縱向擴(kuò)展 ：電氣鏈路連接少量機架內(nèi)部和之間的 GPU。

圖四： 數(shù)據(jù)中心光學(xué)元件

雖然橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)是光學(xué)的，但用于縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)技術(shù)正處于過渡階段，尚未徹底完成。

橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)進(jìn)展

光子學(xué)是橫向擴(kuò)展架構(gòu)的核心。如今，可插拔光收發(fā)器支持在 NIC 和交換機之間跨越數(shù)十米的數(shù)據(jù)傳輸。隨著數(shù)據(jù)速率的升級，這些解決方案面臨著越來越大的功耗和性能限制。

Oracle 的 131K-GPU 結(jié)構(gòu)在其橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的所有三個級別都使用光鏈路。然而，傳統(tǒng)的可插拔光學(xué)器件會消耗大量功率。

圖五：Oracle 光學(xué)集群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖六：功耗和 TCO 仍是核心關(guān)注點

隨著橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)速率增加以跟上 LLM 的增長和吞吐量需求，網(wǎng)絡(luò)功率正在超過加速器機架的功率。據(jù) Nvidia 稱，從可插拔光學(xué)器件轉(zhuǎn)向 CPO（共封裝光學(xué)器件，Co-Package Optical）可以將光學(xué)器件的功率從 30W 大幅降低到 9W，以實現(xiàn) 1.6Tbps 鏈路。

在 GTC25 上，Nvidia 推出了其首款帶 CPO 的橫向擴(kuò)展交換機。節(jié)能功能可實現(xiàn)更高的 GPU 密度 — 在相同的數(shù)據(jù)中心功率范圍內(nèi)，GPU 數(shù)量最多可增加 3 倍。

圖七：使用 Spectrum-X 光學(xué)節(jié)省 3.5 倍功耗

可靠性是從銅纜轉(zhuǎn)向光學(xué)器件再到 CPO 的關(guān)鍵考慮因素。AI 數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量巨大且增長速度很快，就像 iPhone 一樣。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，產(chǎn)量和可靠性必須非常高。Google 的平臺光學(xué)總監(jiān)表示，每天 0.004% 的鏈接故障率聽起來不錯，但對于 1M 鏈接，則每天有 40 個鏈接故障。光學(xué)解決方案需要設(shè)計成非常低的故障率，在非常苛刻的水平上進(jìn)行測試，并且樣品量非常大，以確保生產(chǎn)成功。

在縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn) CPO 的途徑

縱向擴(kuò)展互連目前仍基于銅纜。Nvidia 的 Blackwell 架構(gòu)采用全銅解決方案 NVLink72，在電路板、交換機和機架背板上可以看到廣泛的布線。信號頻率現(xiàn)在非常高，以至于銅束直接連接到 GPU，繞過了傳統(tǒng)的 PCB 走線。

圖八：Nvidia 的路線圖擴(kuò)展到 NVLink576，它仍然使用銅纜，但不斷升級的數(shù)據(jù)速率和信號完整性問題最終將需要光學(xué)解決方案

然而，銅的局限性正變得越來越明顯。Nvidia 的路線圖擴(kuò)展到 NVLink576，它仍然使用銅纜，但不斷升級的數(shù)據(jù)速率和信號完整性問題最終將需要光學(xué)解決方案。

微軟也介紹了他們對未來 AI 加速器的 CPO 要求。他們希望使用具有可配置接口的單個物理層來替換現(xiàn)有接口。

圖九：新的互連場景需要具有更嚴(yán)格的延遲和可靠性要求的統(tǒng)一接口

新的統(tǒng)一接口需要具有“兩全其美”——組合規(guī)范是他們正在取代的傳統(tǒng)接口中的佼佼者。這使得 CPO 更具挑戰(zhàn)性，但增加了市場。

圖十： 新統(tǒng)一接口需要比它所取代的傳統(tǒng)接口更好。

Nvidia 還提出了其對 CPO 與 AI 加速器集成的要求：

圖十一： Nvidia 的 CPO 要求

這些是具有挑戰(zhàn)性但可行的要求。 Needham & Company 建議，在 Scale-Up 網(wǎng)絡(luò)中，首次轉(zhuǎn)向 CPO 將發(fā)生在單個 GPU 域內(nèi)的機架之間，而機架內(nèi)連接暫時保持銅質(zhì)。

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心AI芯片大部分由臺積電生產(chǎn)制造。套基礎(chǔ)也深入?yún)⑴c了所有AI相關(guān)技術(shù)的路線圖。在今年4月份，臺積電也展示了包括共封裝光學(xué)器件在內(nèi)的技術(shù)路線圖，正在為市場的爆發(fā)做好準(zhǔn)備。

市場前景分析

光子技術(shù)的快速發(fā)展，正在為大規(guī)模的AI集群帶來更加靈活、高性能的網(wǎng)絡(luò)，以克服互聯(lián)帶寬瓶頸，超越傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的限制。，滿足生成式AI的需求，對于推動AI未來創(chuàng)新的作用不可低估。

Scale-Up 網(wǎng)絡(luò)向 CPO 的過渡預(yù)計將在未來幾年內(nèi)開始，并在 2030 年代廣泛取代可插拔光學(xué)器件。到 2030 年，CPO 市場將從目前的零增長到 50 億美元。Broadcom、Marvell、Ayar Labs、Celestial AI 和 Lightmatter 等早期進(jìn)入者以及 Coherent 等激光器供應(yīng)商都將受益。

圖十二：

CPO 光學(xué)器件將

2027-2030 年快速增長

光子學(xué)不再僅僅支持 AI。它正在成為其大規(guī)模增長不可或缺的一部分。到 2030 年代中期，所有互聯(lián)都將是光學(xué)的，并且都將是 CPO。

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