一文看懂Micro LED CPO

光通信領(lǐng)域，又有新“噱頭”了。

就在不久前，一份名為《Micro LED CPO開啟數(shù)據(jù)中心互連新局》的研報(bào)，引起了整個(gè)行業(yè)以及資本市場(chǎng)的關(guān)注。

研報(bào)指出，Micro LED CPO具有顛覆性的高帶寬、低功耗和小型化優(yōu)勢(shì)，可以將光模塊整體功耗降低20倍。行業(yè)專家也紛紛預(yù)測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)將重新定義數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)設(shè)計(jì)，并可能在未來(lái)幾年內(nèi)掀起一場(chǎng)技術(shù)革新風(fēng)暴。

那么，到底什么是Micro LED CPO？它真的有那么厲害嗎？

Micro LED CPO = Micro LED + CPO

Micro LED CPO，即Micro LED + CPO，是微米級(jí)發(fā)光二極管（Micro LED）與共封裝光學(xué)技術(shù)（CPO）的深度融合。

Micro LED和CPO，都不是新名詞。CPO的本質(zhì)，是把光模塊（光引擎）從交換機(jī)的外表面，“搬進(jìn)”交換機(jī)的心臟，和AISC交換芯片封裝在一起。

這樣一來(lái)，可以縮短光模塊和交換芯片之間“電通道（上圖紅色線）”的距離，從而顯著抑制電信號(hào)容易發(fā)生的高頻信號(hào)衰減與電磁干擾。

“電通道”一直都是限制連接速率的主要因素。當(dāng)速率突破1.6Tbps，傳統(tǒng)可插拔光模塊方案已逼近物理極限，信號(hào)完整性急劇惡化，誤碼率飆升，散熱與功耗也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

過(guò)去這幾年，CPO技術(shù)發(fā)展迅猛，已經(jīng)開始進(jìn)入規(guī)模商用階段。

CPO實(shí)物圖

再來(lái)看看Micro LED。事實(shí)上，這次Micro LED CPO爆火，關(guān)鍵在于Micro LED。

提到Micro LED，大家首先會(huì)想到的肯定是顯示器。一直以來(lái)，我們所使用的液晶顯示器，都是采用的LCD、LED等技術(shù)。

Micro LED，是一種更先進(jìn)的LED技術(shù)。Micro的意思是“微小”。Micro LED是將LED微縮至5微米以下的自發(fā)光像素陣列技術(shù)，每個(gè)像素獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、無(wú)背光、響應(yīng)速度達(dá)納秒級(jí)。

而將Micro LED從實(shí)驗(yàn)室?guī)氪蟊娨曇暗模翘O果的Vision Pro。說(shuō)白了，Micro LED最開始是為AR/VR而生的。

后來(lái)，專家們發(fā)現(xiàn)，Micro LED的微米級(jí)像素尺寸、納秒級(jí)響應(yīng)速度與超高光效特點(diǎn)，恰恰為光互連提供了極佳的光源基礎(chǔ)——更小的發(fā)光面積、更低的驅(qū)動(dòng)電壓、更高的調(diào)制帶寬，能夠讓光信號(hào)生成效率躍升一個(gè)數(shù)量級(jí)。

而光模塊就是發(fā)光和收光，光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。

光模塊的組成

傳統(tǒng)光模塊，使用的是邊發(fā)射激光器（EEL）或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。這種激光器，尺寸大、功耗大，調(diào)制效率與能量效率表現(xiàn)已無(wú)法滿足時(shí)代需求。

VCSEL激光器

硅光方案雖然可以一定程度提升集成度，但也存在光源耦合效率、晶圓級(jí)良率方面的問(wèn)題。

眾所周知，目前AI爆炸式增長(zhǎng)，智算中心的建設(shè)需求十分旺盛。在智算中心中，有大規(guī)模的算力集群，需要高速率、低延時(shí)、低功耗的芯片間互連。

英偉達(dá)的銅纜方案，全部都是電信號(hào)，成本和功耗極其恐怖，且傳輸距離極短（幾米）。

傳統(tǒng)激光器的光互連方案，單模塊功耗也非常高。一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心，僅光模塊的功耗占比就超過(guò)25%，嚴(yán)重影響了整體能效和成本。

Micro LED的出現(xiàn)，提供了一個(gè)更好的解決方案。

根據(jù)最新研究數(shù)據(jù)顯示，以1.6Tbps光通信產(chǎn)品為例，傳統(tǒng)光模塊的功耗高達(dá)30W。如果采用Micro LED CPO方案，整體功耗有望大幅降低95%以上，降至1.6W左右。

也有機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，基于Micro LED的光互聯(lián)方案，單通道功耗可降至傳統(tǒng)VCSEL方案的1/10、硅光方案的1/5，同時(shí)光引擎集成密度可提升3倍以上。

這是非常驚人的能效提升，可以大幅緩解智算中心的功耗與散熱壓力，顯著降低運(yùn)營(yíng)成本。

一個(gè)10萬(wàn)卡GPU集群，如果機(jī)架間互聯(lián)全部采用Micro LED CPO，一年可節(jié)約1500萬(wàn)度電，相當(dāng)于減少約1.2萬(wàn)噸碳排放。

Micro LED，為什么這么強(qiáng)？

Micro LED只是換了一個(gè)光源，為什么會(huì)帶來(lái)這么大的提升？

可以從底層原理來(lái)分析一下。

傳統(tǒng)激光器，是一個(gè)“大型探照燈”。而Micro LED，則是幾百甚至上千個(gè)“微型手電筒”陣列。

Micro LED發(fā)射陣列

這些Micro LED尺寸小于50微米，與CMOS驅(qū)動(dòng)電路集成封裝在一起，可以實(shí)現(xiàn)更高密度的并行光發(fā)射。

每顆Micro LED對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)通道，降低了單通道的速率要求，只需μA（微安）級(jí)極低驅(qū)動(dòng)電流，采用NRZ簡(jiǎn)單直接調(diào)制（無(wú)需額外調(diào)制器）。例如，128顆Micro LED陣列，每通道速率4Gbps，帶寬就達(dá)到400G以上了。

Micro LED陣列發(fā)出的多路光信號(hào)，經(jīng)專用透鏡準(zhǔn)直聚焦后，耦合進(jìn)入多芯成像光纖，實(shí)現(xiàn)并行傳輸。

在接收端，通過(guò)CMOS集成PD（光探測(cè)器）陣列，把光轉(zhuǎn)回電。整個(gè)過(guò)程無(wú)需復(fù)雜WDM（波分）或高速SerDes，功耗直接砍到80fJ/bit（發(fā)射端，無(wú)FEC前向糾錯(cuò)）。（fJ=飛焦，1飛焦=10^{-15}焦。）

相比之下，傳統(tǒng)激光器的體積更大（毫米級(jí)），激光閾值電流高，驅(qū)動(dòng)電流大約是200mA以上，且需搭配高功耗TIA（跨阻放大器）與DSP（數(shù)字信號(hào)處理芯片），能耗普遍高于1.2pJ/bit（pJ=皮焦，1皮焦=1000飛焦）。即使采用硅光方案，能耗也達(dá)到400fJ/bit。

Micro LED的載流子復(fù)合效率極高，光子生成過(guò)程幾乎無(wú)熱損耗。其響應(yīng)速度更快、調(diào)制效率更高，光子利用率提升3倍以上。加之CMOS工藝兼容性極佳，可實(shí)現(xiàn)光器件單片高密度集成，徹底規(guī)避傳統(tǒng)光模塊中多級(jí)封裝帶來(lái)的寄生損耗與熱阻瓶頸。

Micro LED工作溫度范圍更寬，-40℃至125℃均可穩(wěn)定輸出（在85℃高溫下仍能維持90%以上光輸出），無(wú)需TEC溫控。

而傳統(tǒng)激光器在85℃以上即出現(xiàn)明顯波長(zhǎng)漂移與效率衰減，必須依賴高功耗熱電制冷。

Micro LED與CPO架構(gòu)是絕配。Micro LED的低熱功耗特性，恰好化解CPO高集成度帶來(lái)的散熱難題。而CPO提供的超短電互連路徑，則能夠充分發(fā)揮Micro LED納秒級(jí)調(diào)制潛力。

過(guò)去，受限于VCSEL調(diào)制帶寬與熱管理瓶頸，CPO不得不在速率、功耗與封裝密度間反復(fù)妥協(xié)。如今，Micro LED以更低驅(qū)動(dòng)電壓、更小熱阻和更高光子轉(zhuǎn)換效率，真正釋放了CPO架構(gòu)的物理潛力。

業(yè)界很多人將“傳統(tǒng)激光器+CPO”稱為CPO 1.0，而將“Micro LED+CPO”定義為CPO 2.0。它不再只是互連架構(gòu)的物理遷移，更是光電器件與系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的范式躍遷。

Micro LED，仍面臨不少挑戰(zhàn)

Micro LED CPO很強(qiáng)。但是，想要真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地，并不是一件簡(jiǎn)單的事情。在核心技術(shù)、工藝流程、產(chǎn)業(yè)配套等方面，仍面臨不少的挑戰(zhàn)。

用于光互連的Micro LED，和顯示級(jí)Micro LED在材料體系、波長(zhǎng)匹配、良率控制上存在非常大的差異，并不是直接拿來(lái)就能用的。

波段方面，顯示用Micro LED以可見光波段為主（通常采用GaN基藍(lán)光芯片），而光通信需要850nm、1310nm等特定通信波段，對(duì)外延材料與芯片設(shè)計(jì)提出了完全不同的要求，晶圓異質(zhì)集成難度大幅提升。

調(diào)制帶寬方面，商用顯示用Micro LED的調(diào)制帶寬普遍在10GHz以內(nèi)，而光通信用途，想要實(shí)現(xiàn)1.6Tbps以上速率，單通道需要50GHz以上的調(diào)制帶寬。

高頻，意味著對(duì)材料有更高的要求，要確保光功率、帶寬、線性度不會(huì)嚴(yán)重下滑。InP（磷化銦）基Micro LED在50GHz高頻驅(qū)動(dòng)下，結(jié)溫攀升速率較顯示級(jí)快3倍，這也帶來(lái)熱管理挑戰(zhàn)。

之前曾有某廠商人士透露，Micro LED 850nm波段樣品僅實(shí)現(xiàn)25GHz帶寬，50GHz以上高頻樣品仍在驗(yàn)證中。

光耦合精度方面，Micro LED需納米級(jí)對(duì)準(zhǔn)，工藝容錯(cuò)率極低。耦合精度需控制在±1~2微米內(nèi)，否則耦合效率損失可達(dá)30%以上。

可靠性方面，數(shù)據(jù)中心光互連的工作環(huán)境和強(qiáng)度比普通顯示器苛刻多了，需要光器件具有更強(qiáng)的環(huán)境耐受性。例如，在高溫高濕、長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行下，光功率衰減率須低于0.1%/千小時(shí)，壽命要求超25年。

值得一提的，還有Micro LED CPO方案的通信距離限制。

LED光譜寬，色散大。距離長(zhǎng)了，就會(huì)有很大的光串?dāng)_。所以，Micro LED CPO方案目前只適用于短距互聯(lián)場(chǎng)景（＜50米），如機(jī)柜內(nèi)或相鄰機(jī)架間的數(shù)據(jù)傳輸（GPU集群內(nèi)部連接）。面對(duì)跨機(jī)房、城域級(jí)等中長(zhǎng)距需求，仍需依賴傳統(tǒng)光模塊與DWDM技術(shù)協(xié)同補(bǔ)位。

Micro LED如果進(jìn)行量產(chǎn)，還涉及到一個(gè)“巨量轉(zhuǎn)移”技術(shù)挑戰(zhàn)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，巨量轉(zhuǎn)移就是將數(shù)百萬(wàn)甚至上億顆微米級(jí)的LED芯片，從生長(zhǎng)基板上快速、精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)移到顯示或光通信的驅(qū)動(dòng)電路基板上。這一過(guò)程要求極高的精度和效率，稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致良率下降和成本飆升。

目前，業(yè)界提出了多種巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)方案，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多瓶頸，有待進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)。

簡(jiǎn)而言之，盡管Micro LED CPO在理論上具有顛覆性的優(yōu)勢(shì)，但其高昂的研發(fā)和制造成本，以及關(guān)鍵技術(shù)和封裝工藝上仍然存在的問(wèn)題，使其短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。

行業(yè)專家普遍預(yù)測(cè)，Micro LED CPO需要3-5年的時(shí)間才能真正邁入規(guī)模化商用階段。即便是最樂(lè)觀的預(yù)測(cè)，也需要等到2027年。

Micro LED的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

目前，整個(gè)行業(yè)對(duì)Micro LED CPO技術(shù)非常重視，多家頭部廠商紛紛入局，投入資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)線建設(shè)。

北美方面，微軟在去年8月推出了名為“MOSAIC”架構(gòu)。目前800G原型機(jī)已經(jīng)測(cè)試成功，且向后兼容現(xiàn)有接口。

英偉達(dá)此前提出了其硅光子CPO規(guī)格目標(biāo)，包括低能耗（<1.5 pJ/bit）、小型化（>0.5 Tbps/mm2），以及高可靠性（低于10 FIT，F(xiàn)ailure in Time，十億小時(shí)低于一次的故障率），等等。Micro LED CPO，可以很好地滿足這方面的要求。

在GB200、Blackwell等最新的AI算力平臺(tái)上，英偉達(dá)已經(jīng)為CPO方案預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)化的集成接口。英偉達(dá)近期40億美元投資入股了光學(xué)技術(shù)公司Lumentum和Coherent，都是押寶光互連這個(gè)方向。

日韓方面，三星已完成基于Micro LED的100Gbps單通道光互聯(lián)原型機(jī)開發(fā)，索尼則在車載光互聯(lián)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了技術(shù)驗(yàn)證。

臺(tái)企方面，臺(tái)積電開放了3D Fabric封裝平臺(tái)，與美國(guó)Avicena等公司合作，加速M(fèi)icro LED互連產(chǎn)品的生產(chǎn)落地。聯(lián)發(fā)科也于近期宣布攻克Micro LED光源技術(shù)，將在4月的OFC大會(huì)上展示有源光纜方案。

內(nèi)地產(chǎn)業(yè)鏈也毫不示弱。

三安光電是國(guó)內(nèi)Micro LED芯片領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，目前6英寸產(chǎn)線滿產(chǎn)，深度綁定全球光模塊巨頭，良率極高。

華燦光電背靠京東方，建成了全球首條6英寸Micro LED量產(chǎn)線。他們還與新相微戰(zhàn)略合作，重點(diǎn)攻堅(jiān)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與生產(chǎn)。

通富微電在2.5D/3D先進(jìn)封裝、晶圓級(jí)封裝、高密度互連領(lǐng)域擁有成熟的量產(chǎn)能力。其掌握的超薄晶圓鍵合、10微米以下間距微凸塊制造、光電混合集成封裝技術(shù)，可實(shí)現(xiàn) Micro LED 光源陣列、硅光芯片、算力交換芯片的同封裝異構(gòu)集成。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)構(gòu)建了全球最完整的Micro LED全產(chǎn)業(yè)鏈，目前處于“送樣驗(yàn)證”到“小批量量產(chǎn)”的關(guān)鍵階段。2026年被視為國(guó)產(chǎn)替代加速落地的元年，我們很可能在該賽道實(shí)現(xiàn)換道超車。

結(jié)語(yǔ)

綜上就是關(guān)于Micro LED CPO的詳細(xì)介紹。

總而言之，Micro LED CPO在功耗、適應(yīng)性、集成性、可靠性等方面擁有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地滿足AI浪潮下智算中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接的極致需求，具有非常不錯(cuò)的發(fā)展前景，值得大家密切關(guān)注。