英伟达详解光电一体化封装Spectrum-X Photonics网络交换机

2025年08月27日

8月27日消息，在2025 Hot Chips 大会上，英伟达详细介绍了自研的光电一体化封装的网络交换机芯片Spectrum-X Photonics ，希望决传统网络在超大规模 AI 工厂中所面临的带宽、延迟与功耗瓶颈，使得AI 工厂能够跨区域连接数百万 GPU，同时大幅降低能耗和运营成本。

过去，服务器与交换机的连线大多依赖于铜线，虽然成本低，但在传输数百 Gb/s 的高速信号时，电损严重、能耗高，甚至需要额外的数字信号处理芯片（DSP）来补偿，效率与稳定性都受到限制。为了改善这些问题，传统数据中心开始引入光学模组，将电信号转换为光信号进行远距离传输。

然而，传统光学模组仍需经过PCB与外插式收发器，信号路径长、能耗依旧高。而硅光子芯片（Silicon Photonics）的出现，则将光学元件直接整合在交换器ASIC封装旁，形成所谓共封装光学（Co-Packaged Optics，CPO）。这样的设计大幅缩短了信号传输路径，降低了功耗与延迟，并提升了可靠性。

在2025 Hot Chips 大会上，英伟达也介绍了共封装光子学对扩展人工智能工厂的巨大好处。英伟达指出，相对于传统云数据中心，人工智能工厂消耗的光学功率大约是传统云数据中心的 17 倍，这主要是因为 GPU 集群的增加需要数十个光收发器与其他 GPU 通信。因此，仅网络光学器件的成本就占人工智能工厂总成本的 10% 左右，这是也是为什么英伟达计划通过 Spectrum-X Photonics以太网光子技术降低成本。

据介绍，Spectrum-X Photonics交换机是第一个采用 200 G/lane SerDes 的实现，它能具有多种配置，包括 128 个 800 Gb/s 端口或 512 个 200 Gb/s 端口，总带宽可达到 100 Tb/s；以及 512 个 800 Gb/s 或 2,048 个 200 Gb/s 端口，总吞吐量可达 400 Tb/s。

与传统光学传输架构相比，Spectrum-X Photonics能让数据中心达到3倍多能效提升、10倍系统韧性，并将单端口功耗从约30W降至9W。整体设计更省电、更可靠，对于需要高密度GPU集集的AI工厂而言，这是一个颠覆性的方案。

此外，与可插拔收发器相比，Spectrum-X Photonics具有更好的信号完整性和更低的 DSP 要求，因为在此实现中，光子引擎（PIC）紧邻交换机 ASIC。这意味着没有较长的 PCB 走线和激光数量急剧减少。例如，1.6 Tb/s 的链路从 8 个激光器下降到只有2个激光器，这意味着更低的功耗和更高的传输可靠性。

借助板载 MRM（微环调制器），基于Spectrum-X Photonics的解决方案以更低的功耗和占地面积提供更高的带宽。更重要的是，Spectrum-X Photonics是第一个在光子层和电子层之间实现 3D 堆叠的，从而降低了布线复杂性并提高了带宽密度。英伟达与台积电在硅光子学方面合作，因为这家中国台湾巨头是满足光子学需求的首选。

英伟达使用了台积电（TSMC）名为“COUPE（Compact Universal Photonic Engine）”的硅光子平台，将65nm电子集成电路（EIC）与光子集成电路（PIC），并采用了SoIC-X封装技术。

英伟达还推出了一个 102T 交换机，即集成硅光子学的 Spectrum-6 102T 交换机，将带来可靠性的大幅提升和功耗的大幅降低。

除了 Spectrum-X Photonics，英伟达也同步推出了 Quantum-X Photonics，这是一款针对 InfiniBand 网络的新一代交换平台。，基于200Gb/s SerDes提供了144个800Gb/s InfiniBand端口，整体的115 Tb/s速率略低于 Spectrum-X Photonics，但它内建 SHARP v4 网络内运算功能，特别适合超级计算机与单一大模型的高速训练工作。并且，Quantum-X Photonics采用了液冷设计，有效地冷却板载硅光子器件。与上一代产品相比，新产品为AI计算结构提供了2倍的速度和5倍的可扩展性。

NVIDIA Quantum-X Photonics以太网络交换机和Quantum-X硅光子网络交换机：