Optical I/O（光学输入/输出）正成为芯片间互联的革命性路径。广发证券通信行业深度报告指出，Optical I/O旨在解决计算芯片间的互联问题（chip to chip interconnect），利用光互连低功耗、高带宽、低延迟的优势取代传统电I/O方案。根据Ayar Labs数据，Optical I/O带宽可达传统铜连接的5-10倍；112Gbps长距离电I/O消耗6-10pJ/b，Ayar Labs光学I/O方案<5pJ/b；速率超50Gbps的电I/O需前向纠错（FEC）引入数十纳秒额外延迟，而Optical I/O无需FEC。英特尔、Ayar Labs等巨头已投入相关技术研发，Ayar Labs TeraPHY芯片将硅光子与标准CMOS工艺结合，带宽密度提高1000倍、功耗降低10倍，2024年12月完成1.55亿美元融资，英伟达、AMD Ventures、Intel Capital参投，Optical I/O正从实验室走向产业化。
Optical I/O解决“计算的最后一米”难题
目前数据中心内部设备间（服务器-交换机、交换机-交换机）已基本多由铜缆转为光纤，但计算芯片和内存仍然通过主板内的铜线互联，存在较大的功耗和带宽瓶颈。Optical I/O旨在利用光互连低功耗、高带宽、低延迟的优势，解决计算芯片之间的通讯瓶颈。随着多模态技术的成熟，AI和高性能计算需求持续增长，需要速度更快、扩展性更强的GPU互联。英伟达的NVLink技术可将多个GPU通过SXM封装技术封装在一起，但目前阶段铜连接虽因技术成熟和低成本优势仍是GPU互连的高性价比方案，但随着数据处理需求增加，传统铜连接的带宽瓶颈、信号衰减和布线空间问题将日益凸显。Optical I/O为GPU互联开辟了全光化新方向。
Optical I/O vs 传统电I/O| 对比维度 | 传统电I/O | Optical I/O |
|---|
| 带宽 | 基准 | 5-10倍 |
| 前向纠错（FEC） | 速率>50Gbps需FEC，引入数十ns延迟 | 无需FEC |
| 功耗 | 6-10pJ/b（112Gbps长距） | <5pJ/b |
| 带宽密度 | 基准 | 1000倍（Ayar Labs方案） |
Ayar Labs TeraPHY：封装内光学I/O的先行者
Ayar Labs开发了业界首款封装内光学I/O解决方案，用于替代电气I/O。其TeraPHY芯片将硅光子学与标准CMOS制造工艺相结合，打破了传统的性能、成本和效率曲线，带宽密度提高1000倍、功耗降低10倍。TeraPHY与多波长光源SuperNova组合使用，可最大限度地提高AI基础设施的计算效率和性能，同时降低成本和功耗，大幅提高AI应用的盈利能力。TeraPHY光学I/O已被设计为可与ASIC或XPU共同封装，支持高带宽、低延迟的芯片间通信。2024年12月，Ayar Labs完成最新一轮1.55亿美元融资，投资者包括英伟达、AMD Ventures和Intel Capital等，公司估值增至超10亿美元。产业巨头的战略投资验证了Optical I/O在AI基础设施中的战略价值，商业化进程有望加速。
从铜互连到光互连：Optical I/O的演进路径
Optical I/O的产业化将沿“设备-设备”→“板-板”→“芯片-芯片”的路径演进。当前阶段，AI集群中光收发器90%以上用于IB网络和以太网连接（设备间互联）。谷歌是唯一一家在其生产AI集群中使用光收发器进行TPU之间核心间互连的公司（TPUv4和TPUv5）。NVIDIA正在其研究集群中测试与GPU的光学NVLink连接（板间互联）。最终目标是实现计算芯片间的直接光互联（芯片间互联），即Optical I/O的终极形态。光学I/O可让客户最大限度地提高AI基础设施的计算效率和性能，同时降低成本和功耗。英特尔在Optical I/O领域同样积极布局，其集成光子学原型采用3D封装，将电子CMOS IC堆叠在光子IC之上，展示了光电融合的技术路径。
Optical I/O产业链与投资机会
Optical I/O的产业链涉及光芯片设计、硅光集成、封装测试、光源等多个环节。Ayar Labs已验证封装内光学I/O的技术可行性，并与NVIDIA、Intel等巨头深度合作。国内光通信公司在硅光芯片设计、CW激光器、光纤阵列、光学封装等领域有深厚积累，在Optical I/O浪潮中具备产业链参与机会。建议关注：①具备硅光芯片设计及光电集成能力的厂商；②对光电封装理解深刻且具有相关技术储备的传统光模块厂商；③具备CW大功率激光器芯片量产能力的厂商；④光学测试及耦合设备厂商。Optical I/O是光互联的长期演进方向，随着AI/ML对算力互联需求的持续升级，Optical I/O有望从远期愿景走向现实商用。
