人工智慧（AI）快速發展，圖形處理器（GPU）不只要算得更快，彼此之間也必須交換大量資料，一旦資料來不及送達，再強的GPU也只能空轉。隨著資料傳輸需求暴增，矽光子、光互連成為焦點，特別是正進入量產的共同封裝光學（CPO），被視為突破傳輸瓶頸的解方，已是科技巨擘競逐的戰場。
這場技術競賽邁入實戰，輝達（NVIDIA）搭載CPO技術的Spectrum-X乙太網路光子交換器正式量產，採用的正是台積電緊湊型通用光子引擎（Compact Universal Photonic Engine，COUPE）平台，象徵2026年為CPO邁向商業部署的重要里程碑。
為何非用光不可呢，傳統資料傳輸仰賴銅線，將資料轉換為「電訊號」在導線中傳遞，然而，當AI將運算速度不斷拉高，資料洪流湧入，原本還可負荷的銅線道路，因車流量暴增而開始嚴重壅塞，路面也愈來愈燙，也就是傳統傳輸在速度與散熱上，都已經逼近極限。
國研院半導體中心主任劉建男分析，銅導線在高頻訊號傳輸上有物理極限，「當頻寬要求愈來愈高，電訊號在銅線上的能量衰減會快速暴增，訊號會變得模糊不清；若硬要加大功率傳送，整顆晶片就會耗費驚人電量，產生極大熱量而無法散熱」。相較之下，光訊號在介質中的衰減極低、頻寬極大，且光子在波導傳遞時不會產生電阻發熱，能以極低損耗運送海量資料。
因此，產業開始將目光轉向「光傳輸」，希望在晶片與伺服器之間建構一條更高效的「光學高速公路」，以追上AI時代的龐大運算胃口。
銅線傳輸逼近物理極限 科技大廠競逐光傳輸新局
矽光子是將光學元件整合到矽晶片上的技術，能把電訊號轉為光訊號，進行資料傳輸。除了光電轉換技術，如何縮短電訊號傳輸距離，也是提升效能的關鍵。
資策會產業情報研究所（MIC）產業顧問鄭凱安指出，傳統可插拔光收發器像USB一樣，插在交換器伺服器背板，交換器晶片產生的電訊號須先經銅線傳輸一段距離，才能經由背板到達光收發模組，進行電光轉換後，連接光纖進行光傳輸。
CPO則是將光收發器中的光電轉換晶片置入伺服器內部，與交換器晶片封裝在同一片載板上，並在伺服器內部直接連接光纖，縮短電訊號傳輸距離，降低功耗、提升傳輸速率，同時增加頻寬。
可以想像GPU產生的訊號為產品，經過交換器這座包裝廠處理後，傳統方式為先用「電動車」（電訊號）運送一段路後，再交給「光貨機」（光收發模組），轉換成光訊號載出去。CPO是將「光貨機」（光引擎）搬到包裝廠大門附近或門口，讓「電動車」跑的距離縮短。
介於傳統可插拔光模組與CPO之間的近封裝光學（NPO），同樣是將光電轉換晶片置入伺服器內部，與交換器晶片拉近，但兩者未封裝在同一片載板，可想成「光貨機」與包裝廠位在相鄰廠區；CPO則是「光貨機」與包裝廠位於同一廠區。
至於台積電的COUPE，鄭凱安說明，這是台積電開發的矽光子技術平台，透過先進封裝技術，將電子積體電路（EIC）與光子積體電路（PIC）堆疊在一起，再進一步與交換器晶片共同封裝，讓原本較長的電訊號傳輸距離大幅縮短，這是台積電COUPE今年量產方向。未來，台積電的目標是讓「光貨機」直接從包裝廠啟動，省略「電動車」環節。
輝達8月宣布Spectrum-X乙太網路光子交換器量產，影片中點名台積電提供先進矽光子製程、日月光投控旗下矽品負責晶圓級與晶片級封測、鴻海擔綱整機交換器系統組裝，揭示台廠已進入輝達CPO供應鏈。
「CPO是一項跨領域高度整合的架構，從半導體製程、封裝到系統整合，台灣幾乎在每個環節都找得到實力深厚的指標廠商。」劉建男認為，台灣半導體生態系完整，具備高度專業的垂直分工優勢，台廠能在各自領域專注突破，再迅速跨界串聯，因此在切入CPO擁有優勢。
散熱與材料成雙重考驗 CPO封裝如「異質室友」同住
不過，劉建男不諱言，CPO的封裝難度高，「把運算晶片和光學元件封裝在同一塊載板上，就像讓習慣截然不同的室友住同一間房，彼此需要磨合。負責算力的晶片本身是個『大火爐』，但光學元件卻怕熱，只要溫度稍有變化，光訊號的波長和折射率就會飄移走樣」。如何做好微型熱隔離與熱管理，讓兩者在極近距離內穩定運作，是產業正全力攻克的挑戰。
一方面要克服CPO的封裝難題，另一方面，矽大多不用於製作發光元件，須搭配雷射光源。鄭凱安指出，台灣強項在雷射磊晶及元件製程，但上游關鍵材料如磷化銦（InP）晶圓須仰賴國外供應，中國、美國、日本是目前InP晶圓主要供應國，「我們有點受制於人」。
儘管雷射材料仍有缺口，台廠早已瞄準CPO商機，分頭卡位供應鏈。鄭凱安說，從雷射磊晶、光學元件、封裝及測試等環節，都有業者布局。雷射磊晶有聯亞光電、全新光電；光要進出，就需要精準對接，光纖陣列（FA）及光纖陣列單元（FAU）是重要元件，大立光衝刺FA與FAU、上詮積極布局FAU。
矽光子晶片設計有茂德、合聖、元澄；矽光子晶片製程與封裝有台積電、日月光、力成、訊芯；測試環節則包括日月光、京元電、矽格、旺矽、穎崴等業者。
科技翹楚共組矽光子產業聯盟 拚產業標準國際話語權
在鄭凱安看來，2024年國際半導體產業協會（SEMI）號召成立「SEMI矽光子產業聯盟」，如同一支「國家隊」。台積電、日月光擔任聯盟倡議人，目前已有超過150家國內外企業及學研單位參與，業者各自握有一塊拼圖，在台積電、日月光領軍下，能逐步形成完整的供應鏈。
「我們的競爭優勢還是技術平台。」鄭凱安強調，台積電、日月光已建立矽光子技術平台，並與國際大廠合作，在先進封裝基礎下，進一步整合國內光零組件的封裝、設計與製造，甚至還有自動化製程，「對大廠來講，我要找製造的解決方案，直接來台灣就好了」。
鄭凱安認為，台灣已從原始設備製造商（OEM）走向原始設計製造商（ODM），不只替國際大廠生產，還能客製化設計與開發。同時，台灣產業聚落一向以快速反應著名，當客戶提出產品構想，台廠能整合不同領域業者，快速將想法落實，「我們有量產的技術、量產的平台，每一個環節都有業者，國際大廠找我們，最合乎成本效益」。
由於CPO相關規格與標準尚未訂定，鄭凱安直言，台廠已打入國際大廠供應鏈，有機會參與標準制定，進而掌握話語權，並可取得製造優勢。他指出，雖然中國也在發展CPO，但台灣目前以台積電、日月光為首，相關技術仍保持領先，「就跟先進封裝一樣，技術平台變成核心，擁有這個技術平台，客戶就離不開你」。
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