Ein Artikel macht optische Module leicht verständlich (Teil 2): Optik rückt näher an Chips – wie lassen sich KI-Datenzentren wirklich beschleunigen?

1976 kam der Supercomputer Cray-1 auf den Markt. Er bog die rechteckigen Schränke zu einer riesigen C-Form, die äußere Seite war mit Polstern ummantelt, sodass er wie eine Gruppe ringförmiger Sofas aus einem Science-Fiction-Film aussah.

Diese Form diente einem klaren Ziel: die Geschwindigkeit zu steigern. Die Gesamtlänge der Drähte im Inneren des Cray-1 betrug mehr als 60 Meilen, aber der C-förmige Korpus brachte die Komponenten so nah zueinander, dass jeder Drahtabschnitt nicht länger als 3 Fuß war.

Diese kompakte Anordnung trug zur Verkürzung der Signalverzögerung bei und war einer der wichtigen Faktoren für die damalige Leistungsführerschaft des Cray-1.

Fast ein halbes Jahrhundert später steht das AI-Datenzentrum vor einer ähnlichen Aufgabe: Die Signale sollen weniger Wege zurücklegen.

Heutzutage müssen die Daten zwischen Servern bei einer großen Anzahl von hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen Schränken über Glasfaser übertragen werden. Bevor sie jedoch in die Glasfaser gelangen, müssen die Daten noch in Form elektrischer Signale den Switch-Chip verlassen, entlang der Leiterplatte zum optischen Modul auf der Gerätefrontplatte gelangen und dann in optische Signale umgewandelt werden.

In der Vergangenheit spielte diese in Zentimetern gemessene Strecke keine große Rolle; heute wird sie jedoch zu einem Engpass, der die Systemeffizienz beeinträchtigt.

Daher beginnt die Branche, die Position der Umwandlung von Elektrizität in Licht neu zu überdenken: Kann die Übertragungsstrecke des elektrischen Signals auf der Leiterplatte verkürzt werden, sodass die Daten nach dem Verlassen des Switch-Chips früher in Licht umgewandelt werden?

Extremes Engineering für die Nähe des Lichts zum Chip

CPO (Co-packed Optics, gemeinsam verpackte Optik) zielt genau auf diese Strecke ab. Es platziert die für die Umwandlung von Elektrizität in Licht zuständige optische Engine neben dem Switch-Chip und integriert sie in dasselbe Verpackungssystem. Sobald die Daten den Switch-Chip verlassen, werden sie nach einer sehr kurzen elektrischen Verbindung in Licht umgewandelt und dann über Glasfaser aus dem Gerät übertragen.

CPO wird oft als eine der „ultimativen“ Formen der optischen Interverbindung angesehen.

Erstens kann CPO die hochverlustbehafteten elektrischen Kanäle verkürzen, den Stromverbrauch durch die Verarbeitung von Hochgeschwindigkeitssignalen senken und die Übertragungsverzögerung verringern. Zweitens sind die optischen Engines nicht mehr in den steckbaren Modulen auf der Frontplatte des Geräts konzentriert, sodass Switches Hochgeschwindigkeitsports mit höherer Dichte aufnehmen können.

Noch wichtiger ist: Wenn sich die AI-Cluster auf Hunderttausende oder sogar mehr GPUs ausweiten, können Netzstromverbrauch, Portausfälle und Verbindungsunterbrechungen zu einer teuren Leerlaufzeit der Rechenleistung führen. CPO versucht, die Systemkosten zu senken, die das gesamte Netzwerk bei der Datenübertragung, Wärmeabfuhr und Signalverarbeitung aufbringt.

Nvidia ist eines der Unternehmen, die die Umsetzung von CPO aktiv vorantreiben. Auf der GTC-Konferenz 2025 hat Nvidia erstmals sein CPO-Produkt Spectrum-X Ethernet Photonics vorgestellt.

Laut den 2026 veröffentlichten Vergleichsdaten behauptet Nvidia, dass diese Lösung im Vergleich zu herkömmlichen steckbaren Modulen eine 5-fache Stromeffizienz erreichen und die Dauer des kontinuierlichen Betriebs von AI-Anwendungen auf das 5-fache verlängern kann.

Derzeit befindet sich das Produkt bereits in der Phase der vollständigen Massenproduktion. Cloud-Dienstanbieter und AI-Infrastrukturanbieter wie Oracle, Microsoft, Meta und CoreWeave gehören zu den ersten Kunden.

Nvidias CPO

Allerdings spiegelt das sogenannte „Ultimative“ auch wider, dass CPO nicht einfach umzusetzen ist. Es muss noch eine Hürde überwunden werden: die Massenproduktion.

Erstens die präzise Kopplung. Das Licht muss vom Chip in eine Glasfaser gelangen, deren Kern nur wenige Mikrometer Durchmesser hat. Sobald die Position geringfügig abweicht, kann die empfangene Lichtleistung deutlich abnehmen. Je mehr Glasfasern und Ports vorhanden sind, desto höher sind die Anforderungen an Ausrichtgeschwindigkeit, Genauigkeit und Konsistenz.

Nach der Integration in das gemeinsam verpackte System ist die optische Engine enger mit dem teuren Switch-Chip verbunden. Daher müssen die Tests bereits in verschiedenen Phasen wie Wafer, Chip und Verpackung vorgezogen werden. Je später Testprobleme erkannt werden, desto mehr Bauteile müssen möglicherweise verschrottet werden.

Das Wärmemanagement ist ebenfalls unumgänglich. Der Switch-Chip ist ein großer Wärmeerzeuger im Gerät, aber Laser und einige optische Bauteile sind sehr temperaturempfindlich. Einige CPO-Lösungen belassen den Laser daher außerhalb der Verpackung und versorgen die innere optische Engine über Glasfaser mit Licht, um die Auswirkungen hoher Temperaturen auf die Lebensdauer und Stabilität der Lichtquelle zu verringern.

Dass Nvidia die Massenproduktion von CPO als Erster vorantreiben kann, hängt damit zusammen, dass es gleichzeitig GPU, Netzwerkkarte, Switch-Chip, Netzwerksoftware und gesamte Gerätearchitektur beherrscht. Außerdem ist die frühzeitige Zusammenarbeit mit Unternehmen der Industriekette wie TSMC, SPIL, TFC, Coherent, Lumentum und Corning unverzichtbar.

Insgesamt ist die aktuelle Hürde für CPO immer noch hoch. Ein im März 2026 von TrendForce veröffentlichter Bericht prognostiziert, dass CPO in diesem Jahr etwa 0,5 % der optischen Module ausmacht, die in AI-Datenzentren verwendet werden.

Daher richtet die Branche auch ihren Blick auf eine leichter umsetzbare Kompromisslösung – NPO.

Praxisnähere Kompromisslösung

NPO (Near-packaged Optics, nah verpackte Optik) verschiebt die optische Engine ebenfalls von der Switch-Panel-Innenseite des Geräts und platziert sie in der Nähe des Switch-Chips, um die Übertragungsstrecke des Hochgeschwindigkeits-Elektrosignals auf der Leiterplatte zu verkürzen.

Allerdings behält die optische Engine eine unabhängige Verpackung bei und kann über Steckdosen oder andere Verbindungsstrukturen installiert und demontiert werden.

Dadurch behält NPO beide Vorteile bei: Im Vergleich zu herkömmlichen steckbaren optischen Modulen verkürzt es die Übertragungsstrecke des elektrischen Signals, senkt den Stromverbrauch und erhöht die Portdichte; im Vergleich zu CPO kann die optische Engine separat getestet werden und ist leichter zu reparieren oder auszutauschen.

Der NPO-Markt tritt derzeit in eine Phase der beschleunigten Ökosystemaufbau ein, und die großtechnische kommerzielle Nutzung gewinnt ab 2026 zunehmend Aufmerksamkeit. Laut Marktinformationen sind die zehntausenden von NPO-Produkten, die Google bestellt hat, seit Mai 2026 schrittweise ausgeliefert worden, und 2027 wird die Massenproduktion erwartet. TrendForce prognostiziert, dass der Marktumfang von CPO und NPO bis 2030 39 Milliarden US-Dollar übersteigen wird.

Obwohl NPO noch Zeit braucht, um vollständig zu skalieren, zeigt sich sein praktischer Wert bereits: Es hilft Unternehmen, Produktions- und Betriebserfahrung mit nah verpackter Optik zu sammeln, und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen von Datenzentren an unabhängiges Testen, Austauschen und Reparieren von optischen Engines.

Hinter NPO und CPO gibt es eine wichtige technische Stütze – Siliziumphotonik.

Die meisten herkömmlichen optischen Module verwenden ein Montagemuster mit diskreten Bauteilen, bei dem Bauteile wie Laser, Modulator, Detektor und Strahlteiler einzeln montiert und ausgerichtet werden müssen.

Die Siliziumphotonik nutzt die Herstellungsverfahren der integrierten Schaltung und integriert Bauteile wie Wellenleiter, Modulator und Photodetektor auf einem siliziumbasierten Photonik-Chip. Diese Integrationsmethode kann die Bauteilgröße verkleinern, die internen Verbindungen verkürzen und eignet sich besser zur Erhöhung der Produktionsmenge durch Wafer-Level-Verfahren.

Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Anwendung der Siliziumphotonik nicht auf NPO und CPO beschränkt ist, sondern auch in herkömmlichen steckbaren Modulen verwendet werden kann. Heutzutage können einige Siliziumphotonik-Chips Hunderte von Bauteilen auf einer Fläche von Quadratmillimetern einsetzen; die Integrationsgröße einiger forschungsorientierter Chips hat bereits Tausende oder sogar Zehntausende erreicht.

Daraus ergeben sich derzeit zwei parallel voranschreitende Wege in der optischen Kommunikationsbranche: Die Siliziumphotonik integriert die ursprünglich verteilten optischen Bauteile auf einem Chip, während NPO und CPO die optische Engine weiter in die Nähe des Switch-Chips bringen.

Wenn sich sowohl die Chipintegration als auch die Verpackungsarchitektur gleichzeitig ändern, lockert sich die ursprüngliche Arbeitsteilung der globalen Industriekette.

Neuordnung der Industriekette für optische Kommunikation

Die globale Industriekette für optische Kommunikation weist seit langem ein Muster der transnationalen Zusammenarbeit auf, wobei verschiedene Regionen in Bereichen wie Materialien, Chips, Bauteilen, Verpackung und Massenfertigung ihre jeweiligen Vorteile haben.

Der obere Bereich umfasst hauptsächlich optische Chips und elektrische Chips. Optische Chips sind die Kernkomponenten, die die Umwandlung von Elektrizität in Licht abschließen; elektrische Chips sind hauptsächlich dafür verantwortlich, die optischen Chips anzutreiben sowie Hochgeschwindigkeits-Elektrosignale zu verstärken und zu verarbeiten.

Die optische Chip-Industrie in Europa, Amerika und Japan hat früh begonnen, und die entsprechenden Unternehmen haben durch ihre Pionierposition Kerntechnologien und Herstellungsverfahren angesammelt. Derzeit beginnen auch inländische Unternehmen, in China hergestellte opt