過去，光傳輸的主流是「插拔式光收發模組」，外型像 USB 一樣插在主機外部。電訊號必須先在電路板上「走一段長路」才能轉成光，這段距離不僅耗能，也造成訊號衰減。
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/12/13-1_670x460.jpg" />
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">插拔式光收發模組適用於各種主機與情境，有效解決了伺服器間資料傳輸挑戰，然而，晶片內部的資料傳輸效能亦須納入考量。</div>
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共同封裝光學（co-packaged optics, CPO）技術的出現，讓光引擎直接搬到晶片旁邊，大幅縮短距離、降低功耗，成為近年研究與產業的主流方案。
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2025 年，台積電與 NVIDIA共同開發的矽光子CPO 樣品將開始出貨，並於2026 年正式商轉。這意味著光電整合技術將跨越實驗室門檻，從前瞻研究轉變為準備踏入市場的商品。
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然而，台積電同時也釋出下一階段的訊息，CPO 將從「共同封裝光學」進一步整合至「中介層級」（interposer level）。這意味著現行的 CPO，還不是真正的完全體。
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那麼，目前的 CPO 技術遇到了什麼天花板？為什麼產業要邁向中介層級？中介層級是什麼？會碰到哪些技術挑戰？在這場矽光子競速的戰國時代，哪裡才是光子技術的終點？
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CPO 技術的天花板
CPO之所以受到產業界高度矚目，是因為它乘載著解決資料中心與 AI 晶片在「速度不夠快」與「耗電過高」上的重任。
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它的核心概念，是將光學模組從電路板的邊緣，直接貼到電子晶片旁邊，讓資料一離開晶片就立刻轉成光訊號，用光速來傳輸。這樣一來，資料傳輸的距離更短、速度更快，也更省電，被視為未來高速運算架構的重要技術，試著為 AI 巨量資料的傳輸開出一條新路。
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不過國立陽明交通大學光電系講座教授劉柏村卻指出，業界很清楚，CPO 不是終點，只是下一代技術的過渡站。原因其實很簡單：隨著AI 模型的訓練資料與參數規模正以倍數成長，即使 CPO 的頻寬拉再高，也終將追不上這種爆炸式需求。未來的資料中心，將由成千上萬顆晶片透過光互連構成龐大的運算網路，屆時需要的已不只是封裝層級的光傳輸，而是更高階的光交換與光運算架構。
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<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">儘管 CPO目前被視為解方，但其實只解決了晶片對外的資料傳輸。隨著 AI 模型的訓練資料與參數規模倍數成長，晶片內部的資料傳輸問題將無可避免地浮上檯面。</div>
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劉柏村教授進一步說明，CPO 只解決了晶片外部的傳輸問題。雖然資料離開晶片後可立刻轉成光傳輸，但晶片內部連線仍是電子訊號，依然會造成延遲與發熱。用比喻來說，CPO 像是高鐵，解決不同都市之間的聯絡，但還沒真正解決繁忙市中心的壅塞。因此，推動 CPO 架構進一步演化、朝向更深層的光電融合，成為當前產業最積極的目標。
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從 2D 封裝邁向 3D 光互連
劉柏村教授指出，要讓 CPO 效能更上一層樓，最直接的方式莫過於將封裝技術由2D進化到 3D。
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目前的 CPO 還是「平面式（2D）」架構。晶片之間必須透過金屬線橫向連接，資料要繞一大圈才能傳過去。 線越長，速度越慢、發熱越嚴重。更糟的是，晶片的連接腳位只能設在四周邊框，空間有限，導致能接的線路數量受限，形成所謂的 「I/O 瓶頸」。這就像一座城市，全部都蓋獨棟的平房，街道再怎麼拓寬也會擁擠。當處理器與記憶體距離過遠，資料必須長途往返，就會出現「記憶體牆（memory wall）」問題。
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要打破這個瓶頸，最直接的方法就是往上蓋。3D 封裝的概念，就像把平房變成摩天大樓，讓運算單元之間能更緊密協作，為光進入系統鋪好路。但劉柏村教授也強調，真正的突破，不只是堆高晶片，而是讓光能穿進這座大樓裡。這就是所謂的3D 光互連（3D photonic interconnect），把光的傳輸通道直接做進晶片的立體結構中，讓資料能在晶片之間透過光上下穿梭，而不只是沿著平面的金屬線繞路。
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舉例來說，傳統晶片的資料是「繞路走樓梯」，不但慢、耗力更容易塞車；而 3D 光互連，就像在晶片裡蓋上高速電梯，這樣的設計讓速度更快、能耗更低，加上垂直距離極短，資料交換效率能提升數倍至數十倍。同時，它能沿用現有的晶圓與封裝產線，不需推倒重練，因此風險低、成本可控，對產業來說極具吸引力。
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這樣的立體光電結構，正是台積電所說的「中介層級」核心。當這樣的 3D 光互連架構成熟後，就能真正開啟異質整合（heterogeneous integration）的新時代。未來的 AI 晶片將不再只是處理器，而是一座立體的「光電多合一超級系統晶片」，同時具備運算、記憶、通訊與感測能力，讓光不只是傳輸的媒介，而是整個運算系統的核心連結。
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3D光互連的門檻
但要做到「3D光互連」，產業得先突破兩大關卡。首先，光的傳輸路徑必須立體化，必須能上下左右穿梭。這代表工程師得在晶片內部打造一個「立體光高速公路系統」。這項任務需要靠光學中介層（optical interposer），它像是一塊「幫光走路的超級主機板」，裡面不是金屬線，而是由微小的光波導、分路器與光纖通道組成，能引導並分配光訊號，讓多顆晶片之間靠光互聯，形成立體光網路。
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但這只是第一步。要讓電子變成光、再讓光變回電子，整個轉換過程得極快又極省電，同時還必須把光子元件和晶片以微米等級的精度對準，只要誤差太大，光就「進不去」。此外，晶片還要能垂直傳光、傳電，並在這樣的三維結構中把散熱處理好，否則光學元件會因過熱而失效。
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劉柏村教授說：「簡單來說，3D 光互連就像在晶片內搭建立體光速地鐵系統，而要做到這件事，需要突破光路建構、光電轉換、精密封裝、散熱與熱分布等多項工程難題。這些技術成功後，AI 晶片就能真正進入光速互聯時代。」
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他進一步指出，目前最具突破潛力的技術發展，聚焦在三個方向。
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首先是光電轉換元件的量產化。把電子變成光、再把光變回電子，是整個光互連的核心。這類元件，從矽光子調變器、APD 光偵測器到 III-V 材料整合——已經在 CPO 原型系統中出現，效率越來越高。未來若能達到 每 bit 小於 2 皮焦耳（pJ）的能耗水準 ，就能在商用市場上真正立足。
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其次是高精度封裝的成熟化。光路與晶片必須微米級對準，這在過去幾乎是製程噩夢，但如今自動化對位與晶圓級封裝技術突飛猛進，不僅良率提升、成本也在下降。
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最後是散熱與 3D 堆疊技術的共同演進。AI晶片的功耗愈來愈高，散熱不再只是配角。無論是導入液冷、微流道冷板，或在光中介層內直接整合散熱結構，都成為設計時的必要考量。這些技術與 3D 堆疊同步進化，正逐步形成一套兼顧熱管理與訊號互連的完整解決方案。
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劉柏村教授表示，整體而言，光電轉換和精準封裝會率先突破，讓 CPO 和 3D 光互連進入商用時代；接著，3D堆疊與散熱會緊跟上來，成為第二波加速發展的主力，推動這項技術真正規模化。
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後 CPO 時代的願景
目前，全球與臺灣的3D光互連技術仍處於測試與初步導入階段。像 Intel、NVIDIA、Broadcom 等大廠已經展示了使用 CPO 技術的原型系統；台積電則以 SoIC 與光學中介層進行封裝與整合測試。這代表技術正從「實驗室概念」邁向「可量產原型」，接近成熟門檻。雖然距離大規模應用還有一段距離，但產業界已普遍視其為未來 AI 超級運算架構的核心。
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從更長遠的角度來看，CPO與3D光技術並不只是封裝升級，而是在重新定義「晶片」本身。未來的晶片不再只是平面的矽片，而會演變成立體堆疊的迷你資料中心：同時具備運算、記憶、資料傳輸與光連結功能，成為多種技術融合的立體系統。
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國研院台灣半導體研究中心莊英宗副主任指出，這項演進的終極目標，是實現「晶片本體級的光學輸入／輸出」（direct chip-level optical I/O）。換言之，光的傳輸將直接在晶片端完成，不再依賴電子訊號轉換。進一步發展下去，光還能直接參與計算，例如光矩陣運算、量子光運算或 AI 光神經網路。當光不只是傳遞資訊，而能承擔運算本身，人類將真正邁入光的全新時代。
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（客座總編輯｜國立臺灣科技大學光電工程研究所 李三良講座教授；研究顧問團隊｜國立陽明交通大學光電系講座教授劉柏村、國研院台灣半導體研究中心莊英宗副主任；責任編輯｜曹盛威、洪孟樊）