Der optische Realitätscheck: Warum Near-Packaged Optics und Circuit Switching das CPO-Konzept beim Ausbau der KI-Netzwerke ausstechen
Die Mathematik hinter der Ertragskrise bei Co-Packaged Optics
Die anfängliche Euphorie rund um Co-Packaged Optics (CPO) basierte zwar auf soliden physikalischen Grundlagen, erwies sich jedoch bei den Fertigungsannahmen als fatal fehlerhaft. Die Kernidee, die optische Engine mittels fortschrittlicher 3D-Packaging-Verfahren direkt auf den anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) des Switches zu integrieren, sollte den Stromverbrauch massiv senken. Die Realität der submikrongenauen optischen Ausrichtung und Komponentenkalibrierung hat jedoch zu einem systemweiten Einbruch der Ausbeute (Yield) geführt, was die kommerzielle Masseneinführung von skalierbaren CPO-Lösungen effektiv auf 2028 oder später verschiebt. Die Mathematik hinter dieser Verzögerung ist unerbittlich: Die Integration von 32 optischen Engines auf einem einzigen Switch-Package führt bei einer optimistischen Annahme von 95 Prozent Ausbeute pro Einzel-Engine aufgrund kumulierender Fehlerraten zu einer Gesamtsystem-Ausbeute von lediglich rund 19 Prozent. Berücksichtigt man zudem die hohen Einfügungsverluste externer Laser – die bei Systemtests oft über 3,5 Dezibel liegen – sowie die Sorge der Hyperscaler, dass millionenschwere Switches bei einem Defekt der Einzel-Engine komplett ausgetauscht werden müssten, bricht das Zeitmodell für CPO grundlegend zusammen.
Als Reaktion darauf setzen Hyperscaler nun verstärkt auf Near-Packaged Optics (NPO) als pragmatischen Standard. Indem die optische Engine vom Hauptchip-Package entfernt und auf einem Hochleistungssubstrat nur wenige Zentimeter entfernt platziert wird, vermeidet NPO die komplexen Ausbeuteverluste auf Foundry-Ebene vollständig. Diese Architektur nutzt ultrakurze Kupferleiterbahnen für den letzten Millimeter, senkt den Stromverbrauch aber dennoch drastisch auf 4,4 bis 6,9 Pikojoule pro Bit – etwa die Hälfte der Energie, die herkömmliche, DSP-lastige steckbare Module benötigen. Entscheidend ist, dass NPO auf steckbare Komponenten setzt, was die Wartungsfreundlichkeit des Systems erhält und den Hyperscalern die betriebliche Zuverlässigkeit bietet, die für Cluster mit Millionen von Rechenstunden erforderlich ist.
Broadcoms strukturelle Dominanz bei Switch-Chips
Dieser Architekturwechsel begünstigt Broadcom strukturell gegenüber Nvidia in der zentralen KI-Netzwerkschicht. Broadcom verfolgt einen pragmatischen Ansatz eines offenen Ökosystems, der NPO nativ unterstützt und es Hyperscalern ermöglicht, die erheblichen Fertigungsrisiken fortschrittlicher 3D-Optik-Verpackungen zu umgehen. Broadcoms Tomahawk 5 mit 51,2 Terabit pro Sekunde und der kürzlich eingeführte Tomahawk 6 mit 102,4 Terabit pro Sekunde dominieren derzeit den Markt für Ethernet-Fabrics bei Hyperscalern, wobei es an der 100-Terabit-Schwelle praktisch keinen kurzfristigen Wettbewerb gibt.
Broadcoms Finanzkennzahlen bestätigen diesen architektonischen Sieg. Laut den jüngsten Quartalsberichten hat das Unternehmen einen Auftragsbestand im Bereich Künstliche Intelligenz von über 73 Milliarden Dollar aufgebaut, wobei sich der Umsatz mit KI-Netzwerktechnik im Jahresvergleich voraussichtlich verdoppeln wird. Indem sich Broadcom auf die Lieferung der zentralen Switch-Silizium-Chips und der 400G-pro-Lane optischen digitalen Signalprozessoren konzentriert, ermöglicht es Cloud-Giganten wie Google, Meta und Amazon, ihre optischen Engines unabhängig zu beziehen. Dies fördert eine tiefe bilaterale Bindung, bei der die Hyperscaler zwar vollständig von Broadcoms Silizium-Dominanz abhängig sind, aber ihre Lieferkettenflexibilität bei der optischen Peripherie wahren – und so Broadcoms Ergebnisse von den Ausbeuteproblemen isolieren, die derzeit die CPO-Roadmap belasten.
Optical Circuit Switching wird zum Standard für Scale-Out
Parallel zum Übergang zu NPO entwickelt sich Optical Circuit Switching (OCS) rasch zum Goldstandard für Hyperscale-Rechenzentrumsarchitekturen, was anfangs durch massive interne Validierungen bei Google vorangetrieben wurde. Herkömmliches elektrisches Packet Switching erfordert bei jedem Netzwerksprung energieintensive optisch-elektrisch-optische Wandlungen. OCS umgeht diese Ineffizienz vollständig, indem es Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS)-Spiegel nutzt, um Lichtstrahlen physisch zwischen Glasfaserpfaden umzuleiten, was Verbindungen mit nahezu null Latenz ermöglicht.
Googles Einsatz dieser Technologie in seinen TPU v4-, v5p- und v6e-Architekturen hat bewiesen, dass OCS eine dynamische Cluster-Rekonfiguration unter 10 Nanosekunden ermöglicht und gleichzeitig den gesamten Stromverbrauch des Rechenzentrumsnetzwerks im Vergleich zu herkömmlichen Topologien um 30 bis 40 Prozent senkt. Der anhaltende Erfolg dieser Architektur hat Branchenanalysten, darunter Cignal AI, dazu veranlasst, ihre Prognose für den gesamten adressierbaren Markt für Optical Circuit Switches bis 2026 zu verdreifachen. Während die Technologie anfangs auf Googles interne Palmetto-Designs beschränkt war, weitet sich der milliardenschwere Markt für OCS rasch auf externe Anbieter aus, da andere Cloud-Provider diese massiven Effizienzgewinne bei Stromverbrauch und Latenz kopieren wollen.
Flaschenhals bei Komponenten: Das Duopol der Dauerstrichlaser
Unabhängig davon, ob ein Hyperscaler heute NPO nutzt oder morgen CPO anstrebt, erfordern beide Architekturen die Trennung von hitzeempfindlichen Lichtquellen und dem Switch-Prozessor. Dies macht externe Laserquellen (External Laser Sources) erforderlich, die von hocheffizienten Indiumphosphid-Dauerstrichlasern (Continuous Wave Laser) gespeist werden. Während die KI-Industrie den Übergang von Kupfer- zu optischen Verbindungen forciert, hat sich der Markt für diese Laser zu einem kritischen Engpass in der Lieferkette entwickelt.
Dieses Segment wird faktisch von einem Duopol aus Lumentum und Coherent kontrolliert, die zusammen den Großteil der weltweiten Produktionskapazitäten für Hochleistungslaser halten. Branchenprüfungen ergeben, dass beide Unternehmen derzeit ausverkauft sind und Kapazitäten auf Jahre hinaus gebucht sind. Die strategische Bedeutung dieses Nadelöhrs wurde kürzlich von AMD unterstrichen, das intensiv über groß angelegte Abnahmeverträge für Dauerstrichlaser verhandelt, um seine eigene Lieferkette für optische Verbindungen zu sichern und das Komponenten-Ökosystem von Nvidia vollständig zu umgehen. Für Investoren sind Lumentum und Coherent reine „Mautstellen“-Assets beim optischen KI-Ausbau, die unabhängig davon Umsatz generieren, welche Packaging-Architektur sich letztlich in den Rechenzentren durchsetzt.
Modulintegratoren entgehen der Disintermediation
Die Verzögerung bei CPO bietet den traditionellen Integratoren optischer Module eine massive, mehrjährige Rettungsleine. In einem reinen CPO-Paradigma wurde erwartet, dass ein Großteil der Wertschöpfungskette der Module von fortschrittlichen Foundries und Chip-Designern absorbiert würde, was die traditionellen Assemblierer weitgehend ausgeschaltet hätte. NPO kehrt diese Bedrohung dauerhaft um. Da die optische Engine ein eigenständiges, steckbares Modul auf dem Baseboard bleibt, behalten die Hersteller optischer Module ihre lukrativen Rollen in Design, Test und Montage.
Branchenanalysen zeigen, dass Modulhersteller in der NPO-Architektur etwa doppelt so viel Wertschöpfung erzielen wie durch die bloße Lieferung von Rohkomponenten für CPO. Unternehmen wie Zhongji Innolight und Eoptolink sind die Hauptprofiteure dieses verlängerten Lebenszyklus. Innolight wird beispielsweise von Marktanalysten so eingeschätzt, dass es bis 2026 etwa 80 Prozent der Google-Aufträge für optische Module über 800G erhalten wird. Da Google seine TPU-Installationen in die Millionen skaliert, ist Innolight in der Lage, über sechs Millionen Hochgeschwindigkeitsmodule an einen einzigen Kunden zu liefern und dabei Bruttomargen zu halten, die mit denen führender Halbleiterdesigner konkurrieren.
Der Bedrohungsvektor: Hyperscaler lehnen Nvidias proprietäre Bindung ab
Im Kern ist die rasche Einführung von NPO und OCS ein strategisches Verteidigungsmanöver von Alphabet, Amazon und Meta gegen die Abhängigkeit von einzelnen Anbietern (Vendor Lock-in). Nvidia hat aggressiv eine vertikal integrierte Roadmap vorangetrieben und versucht, Hyperscaler an seine proprietären InfiniBand-Fabrics, kundenspezifische CPO-Designs wie Quantum-X und spezialisierte 800-Volt-Gleichstrom-Stromversorgungssysteme zu binden. Die Fertigungsverzögerungen in dieser hochintegrierten Lieferkette haben den Hyperscalern die perfekte Gelegenheit geboten, auszubrechen.
Durch die Einführung von Ethernet-Switches nach offenem Standard von Broadcom, kombiniert mit NPO-Engines von unabhängigen Modulherstellern wie Innolight und der Weiterleitung des Datenverkehrs über OCS mit Lumentum-Lasern, gelingt es den Cloud-Providern, das KI-Rechenzentrum zu modularisieren. Diese architektonische Aufspaltung beschränkt Nvidias Preismacht strikt auf den zentralen Rechenknoten, während die Hyperscaler die Netzwerktransportschicht commoditisieren können. Akteure der Lieferkette, die zu stark von Nvidias proprietärem Netzwerk-Ökosystem abhängig sind, sehen sich erheblichen Abwärtsrisiken gegenüber, während sich die Branche auf die pragmatische Multi-Vendor-Realität von Near-Packaged Optics einpendelt.