來源：內容編譯自idtechex。

隨著光收發器在帶寬、能效和集成度方面的不斷進步，其影響范圍已從數據中心網絡擴展到人工智能系統本身的架構。如今，向光互連的過渡不僅受帶寬需求的驅動，更受到電控SerDes擴展性、系統功耗預算和物理架構限制之間日益增長的矛盾的影響。

要了解這種轉變是如何展開的，首先區分規模化結構和人工智能系統中的連接性是很有用的。

縱向擴展是指在緊密耦合的系統（例如單個服務器或加速器域）中最大限度地提高性能。其目標是在保持極低延遲和高度同步的同時，聚合更多的計算、內存和帶寬。

從物理層面來看，可擴展網絡架構的傳輸距離較短，通常位于服務器內部或單個機架內，距離往往遠小于十米。在這個領域，高速銅纜互連仍然占據主導地位，并由成熟的電串行器/解串器 (SerDes) 和協議（例如 NVLink）以及新興的開放式替代方案提供支持。

相比之下，橫向擴展將工作負載分配到多個服務器上，以提高系統總吞吐量。一旦通信范圍超出機架或機架行，光互連就變得至關重要。因此，以太網和 InfiniBand 構成了當今大規模 AI 集群的骨干網絡，能夠在數十米到數百米的距離內實現高帶寬、高能效的通信。

一個簡化的AI加速器架構展示了這兩個領域如何共存。在計算層，加速器通過高帶寬銅纜鏈路向上連接到L1計算交換機。這些是典型的縱向擴展連接：短距離、高密度，并針對以最小延遲傳輸海量數據進行了優化。L1交換機之間也通過銅纜互連，形成一個緊密耦合的網絡結構，使得多個加速器在軟件層面上幾乎可以像一個大型設備一樣運行。

隨著流量向上層級傳輸，它會匯聚到與更廣泛的數據中心網絡連接的二層網絡交換機。在這個層級，光插拔設備占據主導地位，因為系統必須支持更遠的傳輸距離、更高的端口數量以及可擴展的帶寬增長。

這兩個領域面臨的日益嚴峻的挑戰是，盡管電信號串擾器（SerDes）仍在不斷發展，但其系統層面的限制卻日益增多。在硅芯片上，SerDes 的容量持續從 112G 擴展到 224G PAM4 及更高。然而，隨著數據速率的提升，包括封裝、基板、PCB 走線、連接器和電纜在內的電氣通道逐漸成為瓶頸。為了在遠距離傳輸中保持信號完整性，需要越來越強大的均衡和數字信號處理（DSP）能力，這會導致每比特功耗增加，并增加熱負載。

對于擁有數千條SerDes通道的大型AI交換機和加速器架構而言，即使每比特能耗略有增加，也會在機架層面轉化為數百瓦的功耗。因此，SerDes不再僅僅是電路層面的問題，而已成為首要的架構限制因素。

正是在這里，光學器件，特別是共封裝光學器件（CPO），開始重塑系統設計。

根據IDTechEx發布的報告所說，人工智能系統架構的中短期演進將是漸進式的，而非顛覆性的。只要鏈路保持短、可控且節能，銅在規?；瘮U展領域仍然非常有效。領先的平臺，尤其是NVIDIA等公司，繼續大力推廣銅在規?；瘮U展架構中的應用，理由是銅具有低延遲、成本優勢，以及至關重要的規?；煽啃?。從這個角度來看，在緊耦合的GPU架構中，光器件目前還無法完全替代銅。

相反，最直接的壓力點在于網絡交換層。

如今的橫向擴展連接依賴于安裝在交換機前面板上的可插拔光模塊。然而，隨著交換機ASIC帶寬從每秒幾十太比特提升到幾百太比特，這種可插拔模式在功耗、信號完整性和前面板密度方面面臨著日益嚴峻的挑戰。一旦鏈路必須經過通往前面板的長距離電路，簡單地將SerDes擴展到更高的數據速率就會變得越來越低效。

CPO 通過將光引擎放置在更靠近交換機 ASIC 的位置（通常位于同一封裝內）來解決這個問題。通過大幅縮短電氣路徑，CPO 降低了 I/O 功耗，提高了信號完整性，并實現了更高的總帶寬擴展，而無需依賴日益復雜的電氣通道。實際上，光模塊解決了傳輸距離的問題，而電 SerDes 則被限制在其最高效的工作范圍內。

這種選擇性部署策略與不同行業參與者對光鏈路應用的看法相符。盡管NVIDIA在規?；渴鸱矫嫒匀粓猿帚~纜優先，但很明顯，包括CPO在內的光鏈路在網絡架構擴展中發揮著至關重要的作用。而其他廠商，例如Marvell和Broadcom，似乎更愿意在規?；渴鸺軜嬛幸牍怄溌?。

從長遠來看，縱向擴展和橫向擴展之間的界限本身可能會變得不再那么涇渭分明。隨著每個邏輯節點上的加速器數量增加，系統物理尺寸增大，即使基于銅的縱向擴展架構在電氣性能上仍然可行，它們也將面臨來自功率密度、氣流和布線復雜性的日益增長的壓力。在這種情況下，光纖I/O也可能開始在縱向擴展中發揮作用，尤其是在推理優化架構中，每瓦吞吐量比超低延遲更為重要。

關鍵在于，光器件不會立即完全取代銅線。相反，人工智能系統架構正通過務實的分工不斷演進：在延遲和可靠性至關重要且傳輸距離較短的場景下，銅線仍然占據主導地位；而在電控SerDes擴展與功耗、傳輸距離和密度限制相沖突的場景下，光器件則得以擴展。光器件的共封裝是這一演進過程中的一個關鍵轉折點，它并非取代SerDes，而是將其封裝在最佳的物理和經濟范圍內。

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