前段时间聊到光通信CPO技术时，不少读者都问：为什么非得用光代替铜？光通信的传输损耗怎么就比电通信低这么多？
这背后的关键，其实是一个重要的物理学现象——趋肤效应。
不仅仅是光通信，在射频天线设计、半导体封测等领域，它都在扮演着重要的角色。今天，我们就来好好聊聊这个概念。
什么是趋肤效应
趋肤效应，简单来说，就是当交流电在导体中传输时，电流会集中分布在导体的表层，而导体中心的电流密度极小。
并且，交流电的频率越高，电流就越“挤”向导体的表面。
不同频率下，导体上的电流密度分布（从左到右，随着频率增加，电流更靠近表面）
这里有一个“趋肤深度”的概念，它指的是电流密度衰减到表面值约 37%（即1/e）时所对应的深度。
举个例子，铜导体在常规 50Hz 频率（家用电频率）下，趋肤深度是 9.2 毫米。但到了 100MHz 频率下，趋肤深度会急剧缩小至约 6.6 微米（0.0066 毫米），差不多是人类头发丝直径（约 0.07 毫米）的 1/10。
家里普通电线（1.5平方）的直径是 1.38 毫米，传输 50Hz 交流电时，趋肤效应的影响微乎其微。可一旦面对 100MHz 的高频信号，电流几乎全集中在电线表面那层极浅的“皮”里。
这直接导致了一连串的问题：导体的有效通流面积锐减、等效电阻升高、发热量增加、信号衰减加剧、传输距离被迫缩短。总之，都是麻烦。所以，业界对趋肤效应是深恶痛绝，总在想方设法削弱它的影响。
趋肤效应的产生原因
这背后的原理，多少有点复杂，但只要有一点中学物理的底子，应该都能理解。
当导体通电，电流就会产生磁场。交流电的麻烦在于，它的方向和强度在周期性地变化。电流变大时，磁场也跟着增强。
根据楞次定律（感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因），导体内部会感应出一个反向磁场，去阻碍原磁场的增大。
这个反向磁场，正是由一个个微小的感应涡流产生的。在导体内部，涡流的方向与原电流相反，削弱了内层电流；而在导体表面，情况则相反，涡流与原电流方向一致，反而增强了表层电流。
这就形成了电流全都“挤”在导体表面的奇特现象。交流电频率越高，这个效应就越明显。
如果是直流电，因为电流大小和方向恒定，磁场稳定，就不会产生这些额外的感应效应，电流可以均匀地流过整个导体截面，自然也就没有趋肤效应的困扰。
趋肤效应产生的影响
可以说，趋肤效应是电能输送和高速信号传输的一大物理障碍。
对抗它，常见的办法有这么几种：
一是采用多根独立绝缘导体绞合而成的利兹线（Litz wire）。我们很少看到特别粗的纯金属导线，反而常见像麻花一样拧在一起的细铜丝，这么做的一部分原因正是为了对抗趋肤效应，通过增加导线的总表面积来获得更大通流能力。
二是在导体表面镀银或其他低电阻率材料。既然电流都挤在表面，那就在表面“铺”上一层导电性更优的材料，相当于给最活跃的电流通道做个升级。
三是直接用空心导管代替实心导线。反正中间也没什么电流，这样一来，既能减重省料，又能保证足够的表面积。
这些都是常规操作。例如，高压输电线路中常用的钢芯铝绞线，外层是导电性好、成本低的铝，中心则是承重的钢芯，这正是趋肤效应在实际工程中的巧妙应用。
在电力输送场景中，交流电频率不高，问题还算好解决。但在通信领域，情况就严峻多了。
为了提升速率和容量，我们现在用的都是高频电信号，频率动辄百兆（MHz）起步，甚至达到吉赫（GHz）。如此高的频率，带来的是极其强烈的趋肤效应。
目前，业界单通道数据速率已经冲到 224Gbps，下一代 448Gbps 也在路上。有数据指出，到了 448Gbps，趋肤深度将被压缩至 0.2 微米——这只有头发直径的 1/350。海量电子要挤在这么逼仄的空间里运动，难度可想而知。此时，导体表面的氧化层、微观粗糙度，甚至晶界散射，都会成为不可忽视的“路障”。
就拿表面粗糙度来说，金属表面看似光滑，但在高频电子眼里，简直是崎岖不平的山路，会转化为惊人的能量损耗与发热。这意味着信号根本跑不远。
你想把表面打磨到原子级平整？那又会面临新的难题：在半导体封装等场景中，铜需要和树脂基板等材料贴合，表面太过光滑，会导致材料根本粘不住，直接就脱落了。
所以说，趋肤效应，在高频通信与高速互连领域，已是制约性能突破的关键物理瓶颈。 从 5G 毫米波通信、数据中心互联到高速 PCB 设计，全都绕不开它。
最具代表性的例子就在数据中心。如今 AI 大热，带动智算中心对数据传输速率的需求呈指数级增长，从 400G 到 800G、1.6T，乃至正在规划中的 3.2T 互连方案。
如果坚持用电信号、铜互连，挑战是致命的。现在业界拼尽全力，才将 SerDes 和 ASIC 交换芯片的极限速率推到 224Gbps。在此速率下，电信号仅传输 1 厘米，就会产生高达几个 dB 的衰减。
反观光通信，传输 1 厘米的损耗不到 0.2dB。别忘了，光信号的载波频率远高于 100GHz，达到了 184～353THz 的恐怖级别。
在传输效率上差出一个数量级，在损耗上又差出一个数量级，怎么选，答案就很清晰了。这正是“光进铜退”的核心驱动力，也是 CPO（共封装光学）等技术崛起的原因。
CPO技术的思路，是将光引擎与交换芯片直接封装在同一块基板上，把电信号在铜线上的传输距离从传统光模块的数米，极限压缩到厘米甚至毫米级别。这相当于让电信号只在芯片封装内部完成最后一段“短跑冲刺”，最大限度地规避了趋肤效应带来的损耗与失真。
当然，现阶段想让光信号完全取代电信号还不现实。计算芯片处理的仍是电信号，光计算离我们还很远，光电转换无可避免。我们能做的，就是在这场信号接力中，尽可能压缩电信号的传输占比。
英伟达的 NVL72 超节点选择铜连接，是综合考虑成本和技术成熟度的结果。但它只在一个机柜内有效，电信号的物理极限决定了它无法支撑更远距离的跨机柜互连。而华为的昇腾 384 超节点采用光互连，便实现了 16 个机柜的跨机柜集群。不过，百米级别的传输范围，对光通信来说也基本到了极限。
现在，英伟达在 CPO 技术上大力投入，甚至收购光通信公司，目标很明确——打造顶级的 Spectrum-X 系列 CPO 交换机，从根本上解决 AI 算力集群的互联瓶颈。
最后的话
好了，关于趋肤效应就介绍到这里。你会发现，光通信之所以能迎来爆发式发展，最底层的逻辑就藏在这个看似不起眼的物理效应里。
在追求更高带宽的征途上，电信号往高频发展是必然，而趋肤效应是无法绕开的物理之墙。正是因为跨不过这道墙，我们才不得不转向光通信、CPO 等创新架构。
甚至可以说，趋肤效应带来的电阻剧增与信号畸变，同样在制约电子芯片的表现。这不禁让人好奇：如果趋肤效应是电信号无法挣脱的枷锁，那我们何时能迎来光计算的商业化？它最终会取代电计算吗？还是说，未来会有别的颠覆性技术横空出世？
欢迎带着这些问题，和我们一起持续关注。云栈社区也会持续为大家带来更多关于底层技术的硬核解读。
发表于 昨天 20:15
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