高速光互连：重塑新一代算力基础设施的关键技术

随着光通信传输速率从10G、40G、100G迈向400G，光通信已成为支撑信息社会运行的“主动脉”。近年来，人工智能快速发展正在重构光网络需求：大模型训练与推理需要上万颗芯片协同作业，AI数据中心内部流量呈指数级增长，光技术正从传统长途干线向机柜、板卡乃至芯片内部持续渗透，数据中心成为驱动下一代光通信技术演进的重要场景。

这一产业风向的转变，在英伟达的技术布局中体现得尤为鲜明。2026 年 3 月 GTC 大会上，黄仁勋提前两年发布新一代Feynman架构，计划 2028 年实现量产。作为全球首款采用台积电 1.6 纳米制程、大规模应用硅光子互连技术的 AI 芯片，其核心变革在于以光链路替代芯片间电互连，结合硅光子技术与 3D 堆叠工艺，有望实现芯片间传输带宽密度提升 10 倍、能耗降低约 90% 的全光互联目标。与此同时，英伟达联合台积电、康宁等企业搭建硅光供应链，持续投资光互连初创企业，通过产业协同锁定下一代光互连产业链的核心产能与技术路线。整体来看，光互连正加速渗透至算力基础设施的各个层级，成为下一代 AI 数据中心的核心连接底座。

从电互连到光互连：高速算力传输的技术必然

英伟达对光互连的持续布局，并非单纯的技术路线选择，而是算力规模和芯片性能快速提升背景下，传统电互连逐渐逼近性能极限的必然结果。具体而言，传统电互连的瓶颈主要体现在三个方面：一是带宽增速与算力提升不匹配。GPU单芯片算力代际提升可达3倍以上，而电互连I/O带宽增长相对滞后，数据传输效率成为制约多芯片协同的短板。二是互连功耗持续攀升。高速电信号传输依赖驱动、均衡与信号恢复等电路，互连功耗占比不断提高，加剧供电与散热压力。三是传输距离受限。随着信号速率提升，电信号在铜缆和印制电路板中的衰减、串扰更加突出，长距离传输需要增加中继与补偿模块，进一步引入功耗、时延和系统复杂度。

相比之下，光互连依托光信号低损耗、高带宽、抗电磁干扰等特性，可在更高带宽密度下实现低功耗、长距离传输，有效缓解高速信号的电域传输压力。以近封装光学、共封装光学为代表的新型光互连技术，持续缩短芯片与光引擎之间的电连接距离，推动光电转换节点向计算芯片侧靠近。由此，光互连正从传统数据中心间通信向计算系统内部延伸，“光进铜退”成为高速数据传输的重要演进方向。

从芯片到数据中心：光互连重构算力网络多层架构

随着光互连技术不断向计算侧延伸，其应用范围已由传统的数据中心间传输逐步拓展至算力系统内部，形成覆盖不同空间尺度和互联距离的多层次互联体系。按照连接对象和传输距离，可将其划分为卡间互联、机架间互联和数据中心互联三个层级。

1、卡间互联

卡间互联是算力加速卡之间的高速数据通路，也是算力集群中距离最短、密度最高的互联层级。传统方案以可插拔光模块为主，具有部署灵活、维护便捷等优势；但在超高算力场景下，电信号仍需在芯片与光模块之间经过较长的印制板路径，存在功耗高、时延长、端口密度提升受限等问题。

共封装光学(CPO)是卡间互联的重要前沿技术，通过将光引擎与算力芯片封装在同一基板上，以高密度光波导替代传统铜线完成高速信号交互，将电信号传输路径从厘米级压缩至毫米级，从而降低传输功耗与时延，并提升单位封装面积的端口密度，更好适配下一代超高算力集群的互联需求。

2、机架间互联

机架间互联承担数据中心机房内不同机柜服务器、交换机之间的跨柜流量调度与转发。传统方案采用电交换架构，基于“光-电-光”转换模式，信号经过交换节点时需要完成光电转换与电层处理，不仅带来时延与功耗开销，带宽扩容也受限于电芯片处理能力。

全光交换是机架间互联的重要演进方向，通过光域直接交叉连接实现信号传输，减少光电转换环节，具备大带宽、低时延和低功耗等优势，可适应数据中心内部流量的动态调度需求。目前全光交换仍处于产业落地关键阶段，在插入损耗、器件集成度、控制调度体系和部署成本等方面仍面临挑战，需要通过材料、工艺与架构协同创新推动规模化应用。

3、数据中心互联

随着算力网络与分布式算力调度快速发展，跨区域数据中心间的算力协同、数据备份和业务联动需求持续增长，对光传输的时延、带宽与效率提出更高要求。传统实芯石英光纤受材料本征物理特性限制，在传输速度、损耗和非线性效应等方面逐步逼近理论极限，难以完全满足下一代算力互联需求，传输介质革新因此成为重要技术方向。空芯光纤作为新型传输介质，为长距离、大容量算力互联提供了新的技术路径，其性能和应用价值正得到持续验证。

从实芯到空芯：光传输介质的颠覆性变革

光互连向更高带宽、更低时延演进，对传输介质提出了更高要求。长期以来，光通信主要采用实芯石英光纤，光信号在玻璃纤芯中传播，依靠纤芯与包层之间的全反射实现传输。这种以玻璃为主要传输介质的方式技术成熟、应用广泛，但光速、材料损耗和非线性效应等性能受到石英材料本身的物理特性限制。空芯光纤则改变了传统光纤的导光方式：反谐振空芯光纤通过特殊微结构包层形成反谐振效应，将光场约束在中空纤芯内，使光主要在空气中传播。依托空气导光特性，空芯光纤具有四方面优势：一是光传播速度更快，可降低长距离传输时延；二是突破石英材料本征损耗限制，具备更低传输损耗潜力；三是材料非线性效应极弱，可支撑大功率、大容量多波长传输；四是低损耗窗口更宽，为单纤传输容量拓展提供新的空间。

在应用层面，空芯光纤正覆盖数据中心内部、跨数据中心互联以及特种通信等场景：数据中心内互联中，O波段空芯光纤已完成规模化应用验证；跨数据中心互联中，国内已开展246皮长公里级空芯光纤线路实践，海外也已开展利用空芯光纤连接多数据中心的探索；在金融低时延专线场景中，反谐振空芯光纤已实现商用部署，可使证券交易双向时延降低30%；量子通信领域，百公里级空芯光纤上经典通信与QKD信号共纤传输的实验也已完成验证。由此可见，空芯光纤的价值不止于“更快的光纤”，更在于改变光的传播介质，为低时延、大容量、低非线性传输以及量子与经典信号共纤传输开辟新的技术路径。

技术驱动产业升级：光通信产业迈向算力新赛道

高速光互连的加速渗透，正在推动光通信产业开启新一轮升级迭代。首先，AI算力需求直接拉动高速光模块市场增长。随着智算集群向万卡、十万卡规模演进，数据中心内部互连速率持续从400G向800G、1.6T升级，高速光模块已成为算力基础设施的重要支撑环节。目前，中国企业在全球高速光模块市场占据重要地位，多家头部厂商已进入全球主流云计算与AI产业链，在高速率产品研发与规模交付方面形成较强竞争力。其次，极致性能需求推动光纤光缆产业向高附加值方向升级。算力网络对大带宽、低时延的需求，为空芯光纤、特种光纤等下一代技术打开了应用空间，推动光纤产业从传统规模扩张向高性能、高附加值的技术驱动型增长转型。更深层次来看，随着光互连不断向芯片侧靠近，产业竞争正从单一光模块产品竞争，转向光芯片、光引擎、封装工艺与系统协同能力的综合竞争。

我国已初步形成覆盖光芯片、光器件、光模块与光纤光缆的完整产业链体系，在高速光模块、光纤光缆等领域具备扎实基础。未来，随着AI算力需求持续释放、新型光互连技术加快成熟以及国产替代进程提速，我国光通信产业有望进一步向产业链高价值环节延伸，从传统通信基础设施产业加速成长为新一代算力基础设施的重要支撑产业。

作者：

张玉乾 中国移动研究院基础网络技术研究所前沿技术研究员

刘彧聪 中国移动研究院基础网络技术研究所技术与方案研究员

胡玲玲 中国移动研究院基础网络技术研究所前沿技术研究员

赵阳 中国移动研究院基础网络技术研究所技术与方案研究员

审核：李晗 中国移动研究院基础网络技术研究所所长

策划：阎冬 陈昊

出品：科普中国×中国移动科学技术协会