以GPT為代表的大模型快速發(fā)展，帶來IDC內(nèi)部高速通信需求提升。我們認(rèn)為光芯片作為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)底座的重要元件，其性能決定了光傳輸網(wǎng)絡(luò)的承載和傳輸能力，是上層應(yīng)用能否落地的關(guān)鍵。光芯片（含硅光）的工藝難點(diǎn)在于生產(chǎn)制造中的外延生長，有望長期成為高速連接與計算的底層支撐。同時，我們也看好在政策扶持、中外廠商技術(shù)差距縮小、下游本土光模塊企業(yè)存有國產(chǎn)替代需求等契機(jī)下，光芯片國產(chǎn)替代有望持續(xù)加速。

摘要

數(shù)通及電信市場雙輪驅(qū)動，推動全球光芯片市場規(guī)模向上。數(shù)通側(cè)，流量增長疊加網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)型、模型并行推升對光模塊的需求，我們測算GPT等大模型訓(xùn)練和推理有望在未來3年每年平均拉動約27%的增量需求彈性；電信側(cè)，國內(nèi)外的5G建設(shè)和PON市場景氣高企直接拉動電信光模塊需求。結(jié)合LightCounting對全球光模塊市場的預(yù)測，我們測算得到2025年全球光芯片市場規(guī)模約41.5億美元，其中數(shù)據(jù)中心用光芯片市場規(guī)模有望達(dá)到24.2億美元，2022-25E CAGR約24%。

高端光芯片處于國產(chǎn)突破階段，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。本土廠商在中低端品類已具備技術(shù)實(shí)力和批量出貨能力，但在25G及以上光芯片市場的占有率仍落后于海外，主要是由于我國光芯片行業(yè)起步晚，在工藝穩(wěn)定性、批量供貨能力、客戶認(rèn)證等方面與海外仍有差距。但在國家政策扶持、下游本土光模塊企業(yè)存有國產(chǎn)替代需求、提速升級窗口期拉長等發(fā)展機(jī)遇下，我們看好國內(nèi)具備外延到制造完整工藝線的頭部企業(yè)的技術(shù)追趕，國產(chǎn)光芯片市場規(guī)模有望在2025年達(dá)到15億美元，2022-2025年CAGR為26%，滲透率達(dá)36%。

大模型訓(xùn)練對數(shù)據(jù)通信與處理提出新要求，硅光芯片應(yīng)用星辰大海。硅光芯片兼具微電子和光子的優(yōu)勢，不依賴于先進(jìn)制程，或成為突破摩爾定律天花板的關(guān)鍵。我們認(rèn)為，在高速通信場景中，硅光&CPO方案加速滲透，有望助力硅光芯片成為數(shù)據(jù)中心信息傳輸?shù)闹饕d體；AI模型發(fā)展催生對算力的高需求，后摩爾時代傳統(tǒng)電子計算陷入發(fā)展瓶頸，展望長期，我們看好以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計算有望賦能部分高速計算場景。

風(fēng)險

數(shù)通及電信市場需求不及預(yù)期；國產(chǎn)光芯片技術(shù)迭代不及預(yù)期；硅光及CPO新技術(shù)發(fā)展不及預(yù)期；行業(yè)競爭加劇風(fēng)險。

正文

大模型訓(xùn)練場景下，IDC內(nèi)部高速通信需求提升

大模型（Large Language Models，LLM）是“大數(shù)據(jù)+大算力+強(qiáng)算法”相結(jié)合的產(chǎn)物，其核心特征是模型參數(shù)多、訓(xùn)練數(shù)據(jù)量大。大模型基于海量數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，再根據(jù)應(yīng)用場景的特性，用少量數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，完成訓(xùn)練目標(biāo)，最近備受關(guān)注的ChatGPT就是大模型的典型應(yīng)用。大模型的核心在于參數(shù)量和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的大小。以GPT系列模型為例，GPT在2018-2023年間迭代了4個大版本，參數(shù)規(guī)模由GPT的1.17億個擴(kuò)大至GPT-3的1750億個，預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)量從GPT的5GB增長到GPT-3的45TB。我們認(rèn)為隨著大模型實(shí)際應(yīng)用對性能的要求不斷提高，未來模型規(guī)模將繼續(xù)快速攀升，參數(shù)量和訓(xùn)練吞吐量也將呈現(xiàn)非線性增長態(tài)勢。

并行策略是解決大模型對計算、存儲性能挑戰(zhàn)的核心手段。當(dāng)模型規(guī)模較大時，單機(jī)串行執(zhí)行已無法滿足模型的計算要求，因此需要一些并行策略來輔助訓(xùn)練，如數(shù)據(jù)并行和模型并行。數(shù)據(jù)并行是將輸入的數(shù)據(jù)拆分到不同節(jié)點(diǎn)后再計算，可以有效擴(kuò)展訓(xùn)練數(shù)據(jù)量；模型并行是將模型切分成若干個子模塊、分配到不同工作節(jié)點(diǎn)上，在不同的計算設(shè)備上運(yùn)行形成多個子訓(xùn)練模型再合并，能夠有效擴(kuò)展參數(shù)量?，F(xiàn)階段大模型多使用混合數(shù)據(jù)并行和模型并行的方式，充分利用計算資源并提高計算效率，從而加速模型的訓(xùn)練和推理過程。

模型并行架構(gòu)下節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，訓(xùn)練過程中對內(nèi)部高速通信傳輸?shù)男枨筇嵘?/strong>神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有比較明確的層次化結(jié)構(gòu)，模型層與層之間的依賴關(guān)系復(fù)雜。在模型并行架構(gòu)下，計算節(jié)點(diǎn)增多，且訓(xùn)練過程中各個節(jié)點(diǎn)上的子模型之間依賴度較強(qiáng)，需高頻進(jìn)行中間計算結(jié)果的通信，因此通信性能對整體系統(tǒng)運(yùn)行的速度和效率的影響較大。且甚于數(shù)據(jù)并行的是，模型并行需要在不同節(jié)點(diǎn)之間頻繁通信以傳遞特征圖（feature map），交互信息的高量級對節(jié)點(diǎn)間的通信性能提出了更高要求，推升內(nèi)部通信高帶寬、低延遲需求。

我們認(rèn)為，提高內(nèi)部數(shù)據(jù)通信性能，一方面，需要采用高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以支持高速數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的異構(gòu)多路徑處理。如，騰訊打造的星脈高性能網(wǎng)絡(luò)，采用1.6T超帶寬接入、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)通信優(yōu)化技術(shù)并結(jié)合自研高性能通信庫，構(gòu)建了1.6T ETH RDMA網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)通信時延降低40%，AI大模型通信性能提升10倍。

圖表1：大模型劃分計算示意圖

資料來源：《面向AI應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)加速架構(gòu)設(shè)計》（邱帥兵，2019）,中金公司研究部

圖表2：騰訊星脈高性能計算網(wǎng)絡(luò)

資料來源：騰訊官網(wǎng)，中金公司研究部

另一方面，通信基礎(chǔ)元件的升級亦不可或缺。我們認(rèn)為在大模型時代，通信基礎(chǔ)元件將向大帶寬、集成化、高效能發(fā)展；其中，具備光電轉(zhuǎn)換功能的光芯片憑借高速率、低損耗的特點(diǎn)大量應(yīng)用于光傳輸領(lǐng)域，有望成為數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)底座的核心部件。我們認(rèn)為，光芯片的性能決定了光傳輸網(wǎng)絡(luò)的承載和傳輸能力，也是上層應(yīng)用能否落地的關(guān)鍵。考慮到模型并行訓(xùn)練、AI應(yīng)用推理的快速發(fā)展，我們認(rèn)為800G/1.6T等下一代光模塊產(chǎn)品的滲透率提升曲線或?qū)⒆兊酶鼮槎盖?，面?00G及更高速率光模塊的光芯片產(chǎn)品及硅光、CPO等新技術(shù)方案已成為當(dāng)下發(fā)展熱點(diǎn)。同時，我們也看到國產(chǎn)光芯片替代的規(guī)?；M(jìn)程加速，國內(nèi)頭部光芯片廠商發(fā)展空間廣闊。

何為光芯片？

光芯片：實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能的核心芯片

光芯片是光電子器件的核心組成部分，通過內(nèi)部能級躍遷實(shí)現(xiàn)光電信號的相互轉(zhuǎn)換。光芯片按照功能可分為激光器芯片和探測器芯片。根據(jù)諧振腔制造工藝不同，激光器芯片可進(jìn)一步細(xì)分為邊發(fā)射芯片（包括FP、DFB和EML）和面發(fā)射芯片。

? 激光器芯片：一般以PN結(jié)注入電流為激勵源，以半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì)，將注入電流的電能激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)諧振放大選模輸出激光，完成電轉(zhuǎn)光。

? 邊發(fā)射（EEL）：在芯片的兩側(cè)鍍光學(xué)膜形成諧振腔，沿平行于襯底表面方向發(fā)射激光。FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布式反饋激光器）、EML（電吸收調(diào)制激光器）都屬于EEL芯片。其中，F(xiàn)P適用于低速率短距離傳輸，DFB用于中長距離通信，兩者均為直接調(diào)制激光器芯片，通過控制電流的有無來調(diào)制激光的輸出；EML集成DFB和電吸收調(diào)制器，屬于外調(diào)制激光器芯片，其信號傳輸質(zhì)量高，易實(shí)現(xiàn)高速率長距離傳輸，但成本也相對更高。

? 面發(fā)射（VCSEL）：在芯片的上下兩面鍍上光學(xué)膜形成諧振腔，垂直于襯底發(fā)射激光。和EEL相比，VCSEL具有體積小、功耗低、耦合效率高、生產(chǎn)良率可控、制造成本低的特點(diǎn)。但VCSEL由于功率被分?jǐn)?，發(fā)光功率密度（峰值為10W）較低，多用于500米以內(nèi)的短距離傳輸。

? 探測器芯片：用于檢測光信號并完成光信號向電信號的轉(zhuǎn)換，包括PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。PIN適用于短距離傳輸，APD在PIN的基礎(chǔ)上在本征區(qū)外增加雪崩區(qū)，能夠更加靈敏地探測光生電流，適用于經(jīng)過長距離傳輸?shù)娜跣盘柕奶綔y，成本較PIN更高。

圖表3：光有源芯片分類

資料來源：源杰科技招股書，中國電子元件行業(yè)協(xié)會，中金公司研究部

光芯片位于光通信產(chǎn)業(yè)鏈的金字塔尖

光通信是光芯片最大的下游應(yīng)用場景之一。光通信是以光為信息載體、以光纖為傳輸介質(zhì)、經(jīng)由電光轉(zhuǎn)換后進(jìn)行光信號傳輸?shù)囊环N通信方式。從光通信產(chǎn)業(yè)鏈看，上游為半導(dǎo)體材料、光芯片、其他基礎(chǔ)構(gòu)件（電芯片、PCB、結(jié)構(gòu)件、輔料等）供應(yīng)商，產(chǎn)業(yè)鏈中游為光器件組件（包括光有源組件和無源組件）和光模塊，光模塊配合電信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等使用，最終面向下游電信市場和數(shù)通市場兩大類客戶。

? 光芯片：光芯片是光模塊的核心部件，按照調(diào)制速率可分為2.5Gb/s、10Gb/s、25GB/s、50Gb/s甚至更高，速率越快對應(yīng)光模塊在單位時間內(nèi)傳輸?shù)男盘柫吭酱螅虼斯庑酒枪饽K的性能錨點(diǎn)。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)（2021年），100G光模塊的成本構(gòu)成中，TOSA（發(fā)射器件）和ROSA（光接收器件）是主要成本所在，分別占37%和22%；功能電路（包含電芯片、PCB板）占23%。根據(jù)億渡數(shù)據(jù)，光芯片（包含激光器芯片和探測器芯片）在TOSA和ROSA中的成本占比一般達(dá)到85%，綜上我們測算得到光芯片約占光模塊物料成本的50%，是光模塊原材料成本占比中最高的部分，且比重隨著光模塊速率的提升而增長。

圖表4：光模塊物料成本結(jié)構(gòu)（2021年）

資料來源：Yole，億渡數(shù)據(jù)，中金公司研究部

? 電芯片：由于光子本身難以靈活控制開關(guān)，也不能作為存儲單元，因此純光子器件要想實(shí)現(xiàn)完整的信息處理功能需要借助電子器件。電芯片一方面為光芯片提供配套支持，另一方面主要負(fù)責(zé)復(fù)雜的數(shù)字信號處理，如調(diào)制、相干信號控制、串并/并串轉(zhuǎn)換等。其中，DSP芯片是門檻較高的電芯片，主要用于200G及以上光模塊中，其市場份額集中于博通、Inphi等全球龍頭。

? 光器件：主要分為有源光器件和無源光器件，光有源器件又包括光收發(fā)組件（激光器、光探測器等以光芯片的形式封裝在光收發(fā)組件中）、光放大器、光調(diào)制器等。光器件行業(yè)細(xì)分品類眾多，競爭格局較為分散，在位廠商數(shù)量眾多。

? 光模塊：光模塊主要由光器件、功能電路和光接口組件封裝而成，可直接用于數(shù)據(jù)中心或作為光系統(tǒng)設(shè)備的組成部分應(yīng)用于電信市場。

圖表5：光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆解

資料來源：OFWeek，中金公司研究部

光芯片制備難點(diǎn)在于生產(chǎn)制造，IDM模式優(yōu)勢突出

光芯片工藝流程復(fù)雜，外延生長為技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)。以激光器芯片為例，光芯片的工藝流程可分為芯片設(shè)計、外延生長、晶圓制造、芯片加工與測試。在制造工藝上，光芯片性能的提升不完全依靠尺寸的減小，更注重外延結(jié)構(gòu)設(shè)計與生長。

圖表6：激光器芯片生產(chǎn)流程圖

資料來源：《中國光通信用芯片產(chǎn)品：服務(wù)與展望》（和弦產(chǎn)業(yè)研究中心，2020），源杰科技招股書，光通信女人，中金公司研究部

? 襯底：InP/GaAs材料經(jīng)提純、拉晶、切割、拋光、研磨制成單晶體襯底，用于外延生長。我國在InP和GaAs襯底方面已基本具備進(jìn)口替代的能力，根據(jù)Yole，國產(chǎn)廠商北京通美在2020年已成為全球InP襯底第二大供應(yīng)商，市占率高達(dá)35%，僅次于住友電工；在2019年全球GaAs襯底市場中占據(jù)13%的市場份額，位居行業(yè)第三。

圖表7：2020年InP襯底全球市場競爭格局

資料來源：Yole，北京通美招股書，中金公司研究部

圖表8：2019年GaAs襯底全球市場競爭格局

資料來源：Yole，北京通美招股書，中金公司研究部

? 外延生長：外延生長是指在襯底片表面生長單晶多層二維狀結(jié)構(gòu)，最終生長成PN結(jié)結(jié)構(gòu)的過程。外延層的厚度、比例、缺陷控制等參數(shù)直接決定了光芯片的發(fā)射波長、效率、可靠性、老化等性能指標(biāo)和良率，因此外延生長是光芯片制備過程中最重要的一環(huán)。外延工藝的核心壁壘在于：1）對材料的理解：外延片采用多層堆疊結(jié)構(gòu)，各層材料的生長需受限于外延層和襯底材料晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)等匹配要求，控制材料應(yīng)變問題，這對外延層材料的選擇提出了較高的要求；2）工程制造能力：外延片對多層堆疊結(jié)構(gòu)每層厚度的精準(zhǔn)控制能力要求較高，通常需要在1μm以下且均勻；3）對光電特性的理解：對激光的橫模與縱模、有源區(qū)量子阱等光特性的理解，以及對等效的電阻、寄生的電容電感等電特性的理解，均直接影響外延片的設(shè)計效率，及最終光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率等核心性能；4）對設(shè)備的理解：外延開發(fā)需廠商投入大量時間調(diào)試機(jī)臺的條件參數(shù)，對時間成本和設(shè)備工程師的Know-how積累有較高的要求。

? 晶圓制造：晶圓制造包括光柵制作、波導(dǎo)光刻、氧化物沉積、刻蝕等工序；其中，光柵工藝是在涂有光刻膠的基板上定義出光柵結(jié)構(gòu)對應(yīng)的掩膜圖形，再利用刻蝕技術(shù)將掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移至襯底上形成最終的光柵結(jié)構(gòu)，會影響光芯片產(chǎn)品的出光功率、可靠性、極限工作溫度等性能參數(shù)，是光芯片晶圓制造的關(guān)鍵步驟之一。

? 芯片加工與測試：包括解理鍍膜、封測分選、自動化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證測試等環(huán)節(jié)。

光芯片的制備難度隨調(diào)制速率提升、特殊波長的選擇而增加。通過對比源杰科技25G DFB和2.5G DFB的生產(chǎn)工藝，我們發(fā)現(xiàn)具有更高調(diào)制速率的光芯片制備難度更高：1）對設(shè)計和制造精度要求更高：25G DFB量子阱有源區(qū)堆疊層數(shù)更多，在保證芯片尺寸的前提下對每一層外延生長參數(shù)精準(zhǔn)控制的要求進(jìn)一步提升，以及對諧振腔的幾何形狀、折射率分布等參數(shù)均需精準(zhǔn)把控；2）對材料和設(shè)備的要求更高：25G DFB必須使用電子束光柵設(shè)備進(jìn)行光柵制作，對刻蝕、光刻機(jī)等設(shè)備性能要求更高；3）質(zhì)量控制要求更嚴(yán)格：25G DFB的測試條件更加多維，整套生產(chǎn)工序超過280道，較中低速產(chǎn)品多出50-70道。從發(fā)射波長看，同一速率下不同波長光芯片的色散和光衰減速度并不相同。相較于1310nm和1550nm波長，10G PON數(shù)據(jù)下傳和上傳所需的1577nm和1270nm波長光芯片的光信號色散代價大、光纜損耗高，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)難度加大。因此，要實(shí)現(xiàn)光通信芯片速率升級和多波長產(chǎn)品覆蓋，需要長期的研發(fā)投入和生產(chǎn)工藝經(jīng)驗的積累。

圖表9：25G DFB與2.5G DFB生產(chǎn)難度對比

資料來源：源杰科技第二輪審核問詢函的回復(fù)，中金公司研究部

圖表10：不同波長激光的損耗值

資料來源：億源通科技官網(wǎng)，中金公司研究部

光芯片工藝層面標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，IDM模式為主流。光芯片側(cè)重于生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，其性能依賴于具體的制造工藝，這就決定了IDM模式（芯片設(shè)計-制造-封測全鏈條布局）在光芯片生產(chǎn)過程中優(yōu)勢突出：1）IDM模式使得光芯片設(shè)計與晶圓制造環(huán)節(jié)能夠相互反饋驗證、靈活調(diào)整參數(shù)，精準(zhǔn)觸達(dá)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、測試中的任何問題；2）形成完整的閉環(huán)流程，保證工藝穩(wěn)定性并有效防止工藝Know-how外流。海外頭部廠商如 II-IV、Lumentum、住友電工等多均采用IDM模式，覆蓋芯片設(shè)計、外延生長、晶圓制造、芯片加工與測試全流程。

光芯片下游景氣度與市場空間幾何？

5G及雙千兆部署構(gòu)筑發(fā)展機(jī)遇，AI催化下數(shù)通市場引領(lǐng)長期成長

數(shù)通場景：數(shù)據(jù)中心流量增長和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)型驅(qū)動需求增長

數(shù)據(jù)量攀升及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)型共同拉動數(shù)通光模塊需求增長。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、AI的快速發(fā)展，全社會對數(shù)據(jù)吞吐量和延遲提出更高訴求，全球數(shù)據(jù)中心規(guī)?？焖贁U(kuò)張。數(shù)據(jù)中心整體流量增長使得其對光模塊需求持續(xù)提升，同時數(shù)據(jù)流量從南北向到東西向轉(zhuǎn)變將帶來更多光模塊需求。AI云端訓(xùn)練及推理需求推動?xùn)|西向流量增長，驅(qū)動數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐漸由傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向新型的葉脊（Spine-Leaf）結(jié)構(gòu)，交換機(jī)之間的連接數(shù)增加推升對光模塊的需求；大模型并行架構(gòu)也進(jìn)一步推動連接需求。根據(jù)LightCounting預(yù)測，2021年數(shù)據(jù)中心光模塊市場規(guī)模為55億美元，預(yù)計到2027年增長到105億美元，2021-2027CAGR為11.4%。

海外頭部云廠商資本開支溫和上行，加碼AI帶動光模塊增量需求。4Q22北美Top5云廠商合計資本開支432.9億美元，同比增長10%。Bloomberg一致預(yù)測顯示，海外宏觀經(jīng)濟(jì)承壓下，未來3年海外頭部云廠商的資本支出將保持溫和上行，增速較過去兩年下滑明顯。但同時我們也觀察到，海外云資本開支逐漸向AI傾斜，微軟持續(xù)投資加碼OpenAI，meta計劃2023年將額外投入于數(shù)據(jù)中心的40-50億美元全部用于AI領(lǐng)域，谷歌則將AI技術(shù)與自動化作為今年的關(guān)鍵投資方向。我們認(rèn)為云廠商資本開支側(cè)重變化有望加速AI進(jìn)程，大模型訓(xùn)練和推理有望進(jìn)一步推升光模塊的需求。

圖表11：海外頭部云廠商年度資本開支情況及市場一致預(yù)期

資料來源：彭博資訊，各公司官網(wǎng)，中金公司研究部；注：預(yù)測數(shù)據(jù)為彭博一致預(yù)期，截至2023/3/10

ChatGPT帶動AI云端算力需求擴(kuò)張，高速光模塊配套組網(wǎng)、市場空間提升。基于《AI浪潮之巔系列：服務(wù)器，算力發(fā)動機(jī)》一文中對算力增量需求的預(yù)測，我們以NVIDIA DGX SuperPOD網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（配備A100或H100服務(wù)器）為例，量化測算AI大模型訓(xùn)練及推理應(yīng)用所帶來的光模塊增量需求。我們假設(shè)不同廠商各自搭建AI數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)進(jìn)行模型訓(xùn)練，各廠商之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不互聯(lián)。

? 訓(xùn)練側(cè)：2023-2025年訓(xùn)練型AI加速芯片需求增量為60萬張，對應(yīng)服務(wù)器需求增量為7.5萬臺。1）POD（point of delivery，數(shù)據(jù)中心基本物理設(shè)計單元）：參考NVIDIA DGX SuperPOD組織結(jié)構(gòu)，我們假設(shè)200臺服務(wù)器形成一個POD組網(wǎng)，7.5萬臺服務(wù)器對應(yīng)375個POD。2）交換機(jī)：我們假設(shè)單個POD中葉/脊/核心交換機(jī)的數(shù)量分別為80/80/40個，且三層交換機(jī)的上下行端口數(shù)各為20個。3）光模塊：基于以上假設(shè)條件，我們計算得到以200臺AI服務(wù)器組網(wǎng)，NVIDIA DGX SuperPOD架構(gòu)中所使用的服務(wù)器和光模塊的數(shù)量比約為1:48。根據(jù)我們的產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，目前國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)AI數(shù)據(jù)中心中主要使用200G光模塊，海外則以400G為主、向800G迭代升級，我們選取平均水平的400G光模塊單價作為ASP，測算得到配套的光模塊價值增量為14.4億美元。

圖表12：140節(jié)點(diǎn)的NVIDIA DGX SuperPOD架構(gòu)示意圖

資料來源：英偉達(dá)官網(wǎng)，中金公司研究部

圖表13：大模型訓(xùn)練帶來的2023-2025年光模塊合計增量需求測算

注：1:）表格中服務(wù)器臺數(shù)僅基于英偉達(dá)A100等效算力測算，不代表中長期實(shí)際出貨臺數(shù)；2）SU（scalable units，可擴(kuò)展單元）：每個SU由20臺服務(wù)器組成，且都有一個專用機(jī)架。

資料來源：英偉達(dá)官網(wǎng)，中金公司研究部

? 推理側(cè)：2023-2025年推理型AI加速芯片需求增量為140萬張，對應(yīng)服務(wù)器需求增量為17.5萬臺，推算得到配套的光模塊價值量合計約為33.6億美元。更長期而言，隨著AI應(yīng)用地推廣和活躍用戶數(shù)的大幅提升，我們看好推理用光模塊增量市場規(guī)模保持高增長，打開光模塊成長天花板。

圖表14：大模型推理帶來2023-2025年光模塊合計增量需求測算

注：1:）表格中服務(wù)器臺數(shù)僅基于英偉達(dá)A100等效算力測算，不代表中長期實(shí)際出貨臺數(shù)；2）SU（scalable units，可擴(kuò)展單元）：每個SU由20臺服務(wù)器組成，且都有一個專用機(jī)架。

資料來源：英偉達(dá)官網(wǎng)，中金公司研究部

根據(jù)LightCounting（2022年11月）數(shù)據(jù)，2022年全球數(shù)據(jù)中心光模塊存量市場空間為60億美元，根據(jù)我們的測算2023-2025年大模型訓(xùn)練加推理帶動的光模塊增量需求合計約48億美元，對應(yīng)年化約16億美元的增量光模塊需求，有望驅(qū)動存量市場約27%的增量彈性。我們認(rèn)為，隨著網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)增長，交換機(jī)帶寬將進(jìn)一步上行，從而帶動單一端口光模塊速率迭代至800G甚至更高，光模塊增量空間彈性有望持續(xù)攀升。

電信場景：5G及千兆寬帶建設(shè)直接拉動電信光模塊需求

千兆光纖網(wǎng)絡(luò)升級推進(jìn)PON光模塊部署。在國家政策推動下，千兆網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù)工信部，截至2022底，我國具備千兆網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的10G PON端口數(shù)達(dá)1523萬個，已提前完成工信部《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》2025年1200萬個的目標(biāo)。我們認(rèn)為，受益于國內(nèi)光纖到戶（FTTH）到光纖到房間（FTTR）的演變以及海外“光進(jìn)銅退”趨勢，10G PON光模塊市場將迎來更大的發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)LightCounting預(yù)測，10G PON端口出貨量增長強(qiáng)勁，到2025年10 GPON及以上端口出貨量占PON總端口數(shù)比重有望過半。

圖表15：我國10G PON端口數(shù)增長情況

資料來源：工信部，中金公司研究部

國內(nèi)5G基站建設(shè)力度可觀，推動電信光模塊需求穩(wěn)定向上。電信光模塊主要用于接入網(wǎng)中基站建設(shè)的前傳、中傳，以及城域網(wǎng)和核心網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，所需光模塊數(shù)量與基站數(shù)量密切相關(guān)。5G網(wǎng)絡(luò)目前對光模塊的需求主要集中于25G-200G光模塊。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至2023年2月末，我國已建成5G基站總數(shù)達(dá)到238.4萬個，2022年新建88.7萬站5G基站。根據(jù)三大運(yùn)營商公布的2023年5G基站建設(shè)指引，我們預(yù)計2023年將新增78萬個5G基站。根據(jù)LightCounting，2022年電信側(cè)光模塊市場規(guī)模為36億美元，預(yù)計到2027年增長至51億美元，2022-2027年CAGR為7.1%。

圖表16：全球電信側(cè)光模塊市場規(guī)模及預(yù)測（不包括FTTx）

資料來源：LightCounting，中金公司研究部

光模塊持續(xù)向高速迭代，推動光芯片調(diào)制速率升級、市場擴(kuò)容

為應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)提速和高帶寬需求，光模塊持續(xù)向高速演進(jìn)。一般來說，數(shù)通光模塊產(chǎn)品速率2-5年為一個迭代周期。根據(jù)Yole，400G光模塊已進(jìn)入全球商用部署階段，800G光模塊也開始在海外數(shù)據(jù)中心逐步上量，1.6T光模塊樣機(jī)的研制正在穩(wěn)步推進(jìn)中。根據(jù)LightCounting預(yù)測，800G光模塊在100G及以上光模塊市場中的營收占比將從2023年的8%提升至2027年的35%，1.6T光模塊在100G及以上光模塊市場中的營收占比將從2024年的1%提升至2027年的19%。展望未來，我們認(rèn)為大模型訓(xùn)練場景下通信帶寬升級提速，800G/1.6T等下一代光模塊產(chǎn)品的滲透率提升曲線或?qū)⒆兊酶鼮槎盖停I(lǐng)光模塊整體市場空間持續(xù)增長。

光芯片速率升級、代際更迭為行業(yè)必然趨勢。隨著數(shù)據(jù)中心等場景進(jìn)入更高速率時代，單通道所需的光芯片調(diào)制速率要求同步提高，從2.5Gb/s向10Gb/s、25Gb/s及更高速率升級，芯片用量亦成倍增長。

圖表17：數(shù)據(jù)中心光模塊速率迭代情況

資料來源：Yole，中金公司研究部

圖表18：100G+各速率光模塊市場規(guī)模及其預(yù)測

資料來源：LightCounting，中金公司研究部

基于以上研判，我們參考源杰科技問詢函回復(fù)以及LightCounting對移動通信、數(shù)據(jù)中心、光纖接入光模塊市場規(guī)模的預(yù)測，疊加AI大模型訓(xùn)練及推理應(yīng)用對高速率數(shù)通光模塊的增量需求，增加其他假設(shè)：1）參考中際旭創(chuàng)、聯(lián)特科技毛利率情況，假設(shè)10G及以下光模塊25%的毛利率、25G及以上光模塊30%的毛利率保持不變；2）根據(jù)中際旭創(chuàng)定增募集說明書，假設(shè)直接材料占光模塊成本比例穩(wěn)定在80%，光芯片在電信和數(shù)通光模塊物料成本的占比分別為60%、40%。綜上，我們測算得到2022年全球光芯片（含激光器芯片和探測器芯片）市場規(guī)模約27.9億美元，預(yù)計2025年全球移動通信、數(shù)據(jù)中心、光纖接入光芯片市場規(guī)模有望分別擴(kuò)容至14.8億美元、24.2億美元和2.6億美元，合計市場空間達(dá)41.5億美元，2022-2025年CAGR約14.1%；其中數(shù)據(jù)中心用光芯片市場增速最快，22-25ECAGR為23.7%。

圖表19：全球光通信芯片市場規(guī)模測算

資料來源：《源杰科技第二輪審核問詢函的回復(fù)》，LightCounting，中際旭創(chuàng)定向增發(fā)募集說明書，中金公司研究部

光芯片國產(chǎn)替代行至何處？

海外廠商：龍頭憑借先發(fā)優(yōu)勢搶占市場，布局高端光芯片產(chǎn)品

Lumentum和II-VI為全球光通信龍頭，通過外延并購快速布局不同行業(yè)和技術(shù)。Lumentum先后收購Ocarlo和Neophotonics，夯實(shí)其在光通信領(lǐng)域的領(lǐng)先位置；II-VI集團(tuán)通過收購Photop、Finisar將自身材料業(yè)務(wù)延展至通信、工業(yè)、汽車等領(lǐng)域，并于2022年成功收購Coherent進(jìn)一步鞏固全球光通信龍頭地位。兩家公司均為涵蓋多品類的平臺型企業(yè)，在光通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)芯片/器件/模塊上下游一體化布局，且橫向拓展至工業(yè)、消費(fèi)等其他領(lǐng)域。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，Lumentum和II-VI在2020年全球光芯片市占率合計達(dá)到79.5%，占據(jù)主導(dǎo)地位。

海外龍頭光芯片產(chǎn)品布局集中在高速率。海外龍頭在光通信行業(yè)起步早、積累多，基本覆蓋光芯片全速率、不同波段產(chǎn)品，應(yīng)用于電信/數(shù)據(jù)中心/企業(yè)全場景。細(xì)分產(chǎn)品來看，海外龍頭企業(yè)已逐漸退出2.5G低端光芯片市場的競爭，聚焦價值量更高的25G及以上光芯片，牢牢把握高端市場。Lumentum于2022年3月發(fā)布100G和200G PAM4 EML、100G PAM4 DML，II-VI于同年9月發(fā)布200G EML產(chǎn)品，提前部署下一代數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

國內(nèi)廠商：低端賽道以成本取勝，高端賽道國產(chǎn)化突破逐漸明朗

不同速率光芯片國產(chǎn)化進(jìn)度不同，中低速率已基本完成國產(chǎn)化，25G及以上高速產(chǎn)品正處于國產(chǎn)化突破階段。根據(jù)源杰科技招股書和ICC，1）全球2.5G及以下DFB激光器芯片市場中，國內(nèi)芯片廠商占據(jù)主要份額，國外廠商由于成本競爭等因素已基本退出市場。2）10G市場中，我國企業(yè)已基本掌握10G光芯片核心技術(shù)，2021年源杰科技在10G DFB市場的份額已超過住友電工達(dá)到20%，但部分型號技術(shù)門檻高仍依賴進(jìn)口，如用于10G-PON數(shù)據(jù)下傳的10G 1577nm EML芯片，目前僅部分國際頭部廠商能實(shí)現(xiàn)批量供貨。3）25G市場中，國內(nèi)已有多家廠商實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)25G芯片，2021年25G光芯片國產(chǎn)化率為20%。4）50G及以上市場中，海外產(chǎn)品占據(jù)主要份額，最高速率可達(dá)200G；國內(nèi)尚處于技術(shù)攻關(guān)階段，少數(shù)50G產(chǎn)品送樣測試，2021年25G以上光芯片國產(chǎn)化率不到5%。整體來看，本土廠商在中低端市場已具備技術(shù)實(shí)力和批量出貨能力，高端芯片落后海外2代以上。

圖表20：2021年2.5G及以下DFB激光器芯片全球市場競爭情況（按銷售額）

資料來源：ICC，源杰科技招股書，中金公司研究部

圖表21：2021年10G DFB激光器芯片全球市場競爭情況（按銷售額）

資料來源：ICC，源杰科技招股書，中金公司研究部

圖表22：部分國內(nèi)廠商在不同速率激光器芯片上的布局情況

資料來源：各公司公告，各公司官網(wǎng)，中金公司研究部；注：統(tǒng)計截至2023/3

我們認(rèn)為，中高端光芯片國產(chǎn)替代機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。受工藝穩(wěn)定性、可靠性、批量供貨能力及客戶認(rèn)證等因素影響，海外廠商在中高端光芯片市場中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。但同時，我們也看到下游光模塊市場國產(chǎn)替代已基本完成，在國家政策大力扶持、提速升級窗口期拉長等契機(jī)下，我們看好國內(nèi)光芯片頭部企業(yè)的技術(shù)追趕。

? 挑戰(zhàn)：國內(nèi)光芯片廠家起步較晚，在部分設(shè)備材料、制造工藝等產(chǎn)業(yè)鏈配套上和海外頭部廠商仍有差距。1）設(shè)備：雖然中微公司、北方華創(chuàng)等國內(nèi)廠商已實(shí)現(xiàn)中低端MOCVD外延設(shè)備的供應(yīng)，高端MOCVD仍依賴進(jìn)口，電子束光柵設(shè)備、腔面鍍膜機(jī)等也基本采購自海外，尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。2）工藝：海外領(lǐng)先廠商可自行完成從芯片設(shè)計、外延生長到晶圓制造的全工序，國內(nèi)廠商普遍具有除外延外的后端加工能力，但外延工藝落后于海外，多數(shù)廠商需向國際廠商采購高端外延片，一定程度上限制了高端光芯片的發(fā)展。3）良率：受限于工藝成熟度，國內(nèi)10G以上光芯片良率仍有提升空間。4）人才：光芯片在分子束外延、減薄、鍍膜、切割等環(huán)節(jié)均需要長期的工藝經(jīng)驗積累，國內(nèi)高端光芯片專業(yè)研發(fā)人才較為緊缺。

? 機(jī)遇#1：下游光模塊國產(chǎn)化水平較高，向上游延伸進(jìn)一步整合產(chǎn)業(yè)鏈。根據(jù)LightCounting，2021年全球光模塊銷售額前十廠商中國內(nèi)廠商占六家，分別是中際旭創(chuàng)（與II-VI并列第一）、華為海思（第三）、海信寬帶（第五）、光迅科技（第六）、華工科技（第八）和新易盛（第九），我國光模塊國產(chǎn)替代已基本完成。光模塊廠商在鞏固模塊市場份額的同時，向產(chǎn)業(yè)鏈上游縱向布局。我們認(rèn)為光模塊綜合廠商有望依托其市場地位和產(chǎn)品拓展能力，催熟我國光芯片產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步推動我國光通信全產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)替代。

圖表23：源杰科技主要產(chǎn)品良品率指數(shù)

資料來源：源杰科技第二輪審核問詢函的回復(fù)，中金公司研究部；注：假定2019年10G激光器芯片產(chǎn)品的良品率指數(shù)為100，其他良品率指數(shù)均以2019年10G激光器芯片產(chǎn)品的真實(shí)良品率分別折算得到

圖表24：全球十大光模塊供應(yīng)商變化情況（按銷售額）

資料來源：LightCounting，中金公司研究部

? 機(jī)遇#2：政策加碼，推動高端光芯片國產(chǎn)替代持續(xù)深入。工信部于2017年發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》指引我國光芯片行業(yè)發(fā)展，目標(biāo)到2022年10G EML、25G EML、50G EML、25G及以上DFB芯片的國產(chǎn)化率分別達(dá)到80%、50%、20%和60%。2021年6月出臺的《上海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展"十四五"規(guī)劃》將光子芯片與器件等確定為“面向未來重點(diǎn)布局的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)”，重點(diǎn)突破高端光芯片的研發(fā)與應(yīng)用。工信部于2022年6月啟動《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2023- 2027年）》的編制，我們認(rèn)為下一個五年發(fā)展路線圖將繼續(xù)高度重視光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)，疊加一系列數(shù)字經(jīng)濟(jì)政策對光芯片終端應(yīng)用需求的刺激，有望從政策面拉動光芯片國產(chǎn)化的不斷突破。

圖表25：《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》2020和2022年光芯片發(fā)展目標(biāo)

資料來源：《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》，工信部，中金公司研究部

? 機(jī)遇#3：調(diào)制形態(tài)升級、數(shù)通客戶升級節(jié)奏分化，或給予國產(chǎn)光芯片廠商更充裕的提速升級窗口期。1）調(diào)制技術(shù)演進(jìn)，激光器速率提升需求慢于模塊端。和NRZ調(diào)制方式相比，PAM4調(diào)制格式能夠通過改變光信號的可調(diào)幅度和時間間隔實(shí)現(xiàn)在同一頻譜帶寬內(nèi)傳輸更高速的數(shù)據(jù)，且通過多路PAM4信號疊加能夠進(jìn)一步推升模塊的傳輸速率。2）數(shù)通客戶需求分化拉長存量產(chǎn)品生命周期。不同互聯(lián)網(wǎng)廠商對帶寬升級的迫切性存在差異，以400G為例，我們觀察到海外頭部互聯(lián)網(wǎng)公司谷歌、微軟等升級節(jié)奏較快，谷歌自2019年起便實(shí)現(xiàn)了400G光模塊的初步商用；而國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)客戶2021年后才開始推進(jìn)200G/400G的初步批量部署。根據(jù)LightCounting，國內(nèi)云計算廠商對下一代光模塊部署的節(jié)奏相較部分海外頭部互聯(lián)網(wǎng)廠商慢2-3年。我們認(rèn)為數(shù)通光模塊升級節(jié)奏的分化或有望拉長100G等存量光模塊的生命周期。綜上，我們認(rèn)為國內(nèi)光芯片廠商應(yīng)對技術(shù)突破和產(chǎn)品提速升級的窗口期有望拉長，高端光芯片國產(chǎn)替代有望迎來發(fā)展契機(jī)。

? 機(jī)遇#4：國產(chǎn)廠商技術(shù)不斷追趕，有望后來居上。根據(jù)OFweek，國內(nèi)首條多材料、跨尺寸的光子芯片產(chǎn)線將于2023年建成[1]，我們認(rèn)為該產(chǎn)線有望填補(bǔ)我國在光子芯片晶圓代工領(lǐng)域的空白。隨著國內(nèi)廠商光芯片設(shè)計、制造技術(shù)不斷成熟優(yōu)化，我們看好光芯片國產(chǎn)替代進(jìn)程步入加速期。

據(jù)ICC預(yù)測，我國光芯片廠商銷售規(guī)模占全球光芯片市場的比例有望持續(xù)提升，中高速率產(chǎn)品增長曲線將更為陡峭；到2024年，國產(chǎn)光芯片在25G和25G以上的全球市場份額有望分別達(dá)到64%、18%。結(jié)合ICC對不同速率國產(chǎn)光芯片滲透率的預(yù)測，我們估測2021年光芯片整體國產(chǎn)替代率約25%，到2025年有望達(dá)到36%。結(jié)合前一章節(jié)對全球光芯片市場規(guī)模的測算，我們預(yù)計國產(chǎn)光芯片可達(dá)市場空間有望從2022年的7.5億美元增長至2025年的15億美元，2022-2025年CAGR為26%，增速遠(yuǎn)高于全球光芯片整體市場規(guī)模增速。我們認(rèn)為，具備光芯片自主外延設(shè)計和制備能力、以IDM模式發(fā)展的國內(nèi)頭部光芯片供應(yīng)商有望優(yōu)先受益于國產(chǎn)替代，其銷售收入的增長速度或更高于行業(yè)平均水平。

圖表26：國產(chǎn)光芯片占全球光芯片市場比例預(yù)測

資料來源：ICC，中金公司研究部

圖表27：國產(chǎn)光芯片整體市場規(guī)模預(yù)測

資料來源：《源杰科技第二輪審核問詢函的回復(fù)》，LightCounting，ICC，中際旭創(chuàng)定向增發(fā)募集說明書，中金公司研究部

大模型時代已至，硅光芯片引領(lǐng)光通信與計算未來趨勢

硅光芯片：超越“摩爾定律”的新曙光

硅光芯片是采用硅光子技術(shù)制備的光芯片。硅光芯片基于成熟度高、成本下探空間大的絕緣襯底上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）平臺，利用成熟的CMOS微電子制備工藝，在同一硅晶圓上集成光源、調(diào)制器、波導(dǎo)、探測器、濾波器、CMOS電路等器件，實(shí)現(xiàn)光信號處理與電信號處理的深度融合。

? 優(yōu)勢：硅光芯片有機(jī)結(jié)合微電子技術(shù)和光電子技術(shù)，兼具微電子尺寸小、成本低、集成度高的特性和光子高帶寬、高速率、低功耗的優(yōu)勢。

? 不足：目前硅光芯片尚面臨硅光耦合工藝、晶圓自動測試及切割、設(shè)計工具非標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)瓶頸。受制于工藝成熟度、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一以及產(chǎn)業(yè)鏈完備性，硅光芯片在成本、良率、功耗上的理論優(yōu)勢還未顯現(xiàn)，因此還沒有大規(guī)模普及。

圖表28：Intel硅光芯片結(jié)構(gòu)-晶圓鍵合法

資料來源：Intel公司官網(wǎng)，中國通信學(xué)會，中金公司研究部

人工智能浪潮迭起，硅光方案在高速通信和計算場景中加速滲透

高速通信場景中硅光模塊性價比凸顯，硅光芯片有望承載數(shù)據(jù)中心內(nèi)主要的高速信息傳輸。得益于技術(shù)成熟度，在400G時代傳統(tǒng)分立式光模塊仍是市場主流。然而在800G以上更高速場景中，傳統(tǒng)光通信的堆疊和多通道方案將面臨成本、能耗雙高的挑戰(zhàn)；與此同時，硅光模塊高度集成的特性大幅減小了模塊體積、有效降低成本并控制功耗。展望未來，大模型訓(xùn)練過程對數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信密度的要求大幅提升，硅光芯片能夠在低成本的前提下有效提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)集群之間、服務(wù)器之間甚至芯片之間的通信效率，硅光模塊的滲透率有望進(jìn)一步提升。據(jù)Yole預(yù)測，2025年全球硅光模塊市場容量有望達(dá)到37.3億美元，占整個光模塊市場比例近30%，2021-2025年CAGR約27%。

圖表29：全球硅光模塊市場規(guī)模及滲透率預(yù)測

資料來源：Yole，LightCounting，中金公司研究部

算力高增趨勢下，降低光模塊能耗的需求日益迫切。GPT等AI模型訓(xùn)練的執(zhí)行需要大規(guī)模的GPU陣列，算力高速增長隨之帶來能耗的快速攀升。以GPT-3為例，一次訓(xùn)練需要消耗約19萬度的電力，AI集群的發(fā)展受到高能耗的限制。隨著通信速率的提升，傳統(tǒng)可插拔光模塊的功耗也呈現(xiàn)增長態(tài)勢，Cisco官網(wǎng)預(yù)測2022年可插拔光模塊的功耗相比2010年將增長26倍。NVIDIA的Craig Thompson在OCP 2022上表示AI集群所需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬面臨32倍的提升訴求，繼續(xù)使用可插拔光模塊將帶來成本翻倍和20-25%的額外功耗[2]。我們認(rèn)為在數(shù)據(jù)中心降低整體能耗的壓力下，如何降低光連接部分的功耗變得日益重要。

CPO技術(shù)引領(lǐng)下一代數(shù)據(jù)中心風(fēng)向，助力硅光芯片成為超高帶寬數(shù)據(jù)光互聯(lián)的標(biāo)配。CPO（Co-Packaged Optics，共封裝光學(xué)）將硅光芯片封裝而成的光引擎和交換ASIC共同裝配在同一個插槽上，較可插拔方案優(yōu)勢明顯：1）功耗更低：CPO方案大幅縮短交換芯片和光引擎間的布線距離，進(jìn)而降低電信號驅(qū)動功耗。根據(jù)Cisco官網(wǎng)，把51.2T系統(tǒng)中的可插拔光模塊替換為CPO后，將交換ASIC與光引擎連接所需的功率可減少50％，從而使得整機(jī)系統(tǒng)總功率減少25-30％。2）成本更低：CPO方案減少了對設(shè)計成本較高、能夠傳輸超高速電信號的PCB的需求以及額外的DSP芯片使用，有效降低系統(tǒng)成本。3）集成度更高，可實(shí)現(xiàn)更高密度的端口設(shè)計。

圖表30：可插拔和CPO兩種封裝方案

資料來源：芯東西，中金公司研究部

圖表31：51.2T系統(tǒng)中可插拔光模塊替換為CPO后的功耗結(jié)構(gòu)對比（2023年）

資料來源：Cisco官網(wǎng)，中金公司研究部

我們認(rèn)為，在800G時代可插拔或仍是市場主流，但當(dāng)通信帶寬提升至1.6T及以上，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光連接升級或?qū)⑥D(zhuǎn)向高能效比的CPO方案，而硅光芯片作為CPO高集成度芯片首選方案有望在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景中普及。據(jù)LightCounting預(yù)測，CPO搭配硅光有望在2025年迎來一定程度的放量，到2027年CPO出貨量有望達(dá)到450萬件，在800G和1.6T端口出貨總數(shù)中占比接近30%，主要應(yīng)用于AI和高性能計算集群中，其次是云數(shù)據(jù)中心交換機(jī)場景。

圖表32：800G/1.6T CPO端口和其他（以太網(wǎng)光模塊、AOCs）出貨量預(yù)測

資料來源：LightCounting，中金公司研究部

后摩爾時代傳統(tǒng)電子計算陷入發(fā)展瓶頸，硅光芯片有望賦能未來計算系統(tǒng)。隨著人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、語音處理等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大容量實(shí)時數(shù)據(jù)處理和分析場景催生對算力的高需求，全球算力規(guī)模高速增長。據(jù)OpenAI統(tǒng)計，自2012年起，每3-4個月人工智能的算力需求翻番，當(dāng)前電芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，無法完全滿足大模型訓(xùn)練場景下快速攀升的數(shù)據(jù)吞吐需求。相較于電芯片，光子之間干擾小，兼具更高計算密度與更低能耗的優(yōu)勢。根據(jù)公司官網(wǎng)，曦智科技的第二代高性能光子計算處理器PACE實(shí)現(xiàn)在單個光子芯片中集成超過10,000個光子器件，其運(yùn)行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度是目前高端GPU的數(shù)百倍[3]。

從光通信到光計算、光傳感，硅光芯片市場空間未來可期。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021年全球硅光芯片市場規(guī)模為1.51億美元，Yole預(yù)計到2027年，硅光芯片市場規(guī)模有望增長至9.72億美元，2021-2027年CAGR高達(dá)36%；其中，數(shù)據(jù)中心通信和光計算為2027年硅光芯片最主要的兩大應(yīng)用場景，市場規(guī)模分別為4.68億美元和2.44億美元。我們認(rèn)為，光通信與光計算相輔相成，最終使得數(shù)據(jù)計算與傳輸均在光域中完成，有望助推硅光芯片市場規(guī)模進(jìn)一步上行；此外，消費(fèi)者健康、激光雷達(dá)等光傳感潛在場景亦有望貢獻(xiàn)市場空間增量。

圖表33：2021年和2027年全球硅光芯片市場規(guī)模

資料來源：Yole，中金公司研究部

硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈

硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈可分為上-中-下游，上游主要包括PDA設(shè)計工具、SOI襯底、外延片等供應(yīng)商，中游涵蓋硅光芯片設(shè)計、制造、封裝廠商，下游主要是通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商及系統(tǒng)商。由于硅光技術(shù)成熟度仍有待提升且當(dāng)前商用產(chǎn)品較少，目前硅光產(chǎn)業(yè)尚未形成穩(wěn)定的競爭格局。

海外：大廠積極部署硅光賽道，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展程度較高。在硅光芯片領(lǐng)域，部分國外一流企業(yè)擁有較為完善的布局，推出多款基于硅光技術(shù)的芯片或器件并實(shí)現(xiàn)出貨，在行業(yè)中占據(jù)主要位置。

在CPO領(lǐng)域，全球網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和芯片大廠、終端云廠商均前瞻性地布局CPO相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品，并致力于推進(jìn)CPO標(biāo)準(zhǔn)化工作。meta和Microsoft于2019年創(chuàng)建了CPO聯(lián)盟，起草相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；Intel于2020年展示業(yè)界首個集成了8個1.6T硅光引擎的CPO樣機(jī)，交換容量為12.8T；英偉達(dá)在OFC 2022上展示利用臺積電COUPE封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)硅光芯片連接GPU系統(tǒng)的模型；Broadcom推出的帶寬為51.2T的Tomahawk 5采用CPO技術(shù)將交換芯片與100G PAM4接口共同封裝。我們觀察到海外CPO布局主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和芯片大廠推進(jìn)，我們認(rèn)為其原因可能是：1）技術(shù)實(shí)力方面，博通、英偉達(dá)等廠商網(wǎng)絡(luò)實(shí)力較強(qiáng)，開始探索基于51.2T交換芯片的下一代CPO交換機(jī)的時間較早。2）商業(yè)訴求方面，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商相比云計算廠商更有動力推進(jìn)一整套網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案的落地以提高其在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位。

圖表34：海外廠商CPO技術(shù)布局一覽

資料來源：各公司官網(wǎng)，36氪，ServeTheHome，中金公司研究部

國內(nèi)：尚處于追趕者地位，硅光技術(shù)不斷突破。2018年，中國信科集團(tuán)聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心實(shí)現(xiàn)我國首款100Gb/s硅光芯片的正式投產(chǎn)；2021年12月，我國完成首款1.6Tb/s硅基光收發(fā)芯片的聯(lián)合研制和功能驗證，實(shí)現(xiàn)了我國硅光芯片技術(shù)向Tb/s級的首次跨越。我國硅光芯片研制以及后端封裝能力不斷提升，但由于起步較晚，在流片、制造、測試等環(huán)節(jié)仍依賴于海外。

? 在硅光通信領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)主要有兩種參與模式：1）光模塊或系統(tǒng)設(shè)備商主要通過并購或合作的方式，以實(shí)現(xiàn)前沿技術(shù)儲備或降本目的。2）從Intel、Luxtera等國際一流硅光企業(yè)或海外名校出來的技術(shù)人才歸國創(chuàng)立專業(yè)硅光芯片公司、。國內(nèi)CPO技術(shù)的主要參與者為具備硅光芯片設(shè)計或生產(chǎn)能力的光模塊廠商，基于自身的硅光芯片配合下游客戶研發(fā)CPO方案。

? 在硅光計算領(lǐng)域，全球硅光計算行業(yè)仍處于發(fā)展早期，我國在研發(fā)、測試到推出產(chǎn)品等環(huán)節(jié)上的時間線幾乎與國際廠商持平。

圖表35：國內(nèi)布局硅光領(lǐng)域的公司一覽

資料來源：各公司公告，各公司官網(wǎng)，中金公司研究部；注：統(tǒng)計截至2023/3

相關(guān)風(fēng)險

數(shù)通及電信市場需求不及預(yù)期。若數(shù)通、電信市場發(fā)展進(jìn)程放緩，可能會導(dǎo)致光模塊的需求不及預(yù)期，從而降低光芯片的需求。

國產(chǎn)光芯片技術(shù)迭代不及預(yù)期。若國內(nèi)光芯片廠家技術(shù)迭代不及預(yù)期，將無法打破海外龍頭在核心技術(shù)、產(chǎn)品推廣上的競爭壁壘，高端光芯片的國產(chǎn)替代速度或不及預(yù)期。

硅光及CPO新技術(shù)發(fā)展不及預(yù)期。目前硅光產(chǎn)業(yè)仍處于前期發(fā)展階段，僅在數(shù)通短距通信取得局部成功；CPO方案更是在早期發(fā)展階段。若硅光芯片得不到下游客戶需求和底層生態(tài)建設(shè)的支持，硅光及CPO技術(shù)發(fā)展將不及預(yù)期，未來實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的不確定性較高，可能影響硅光芯片市場的規(guī)模。

行業(yè)競爭加劇風(fēng)險。中高端光通信芯片存在較高技術(shù)壁壘，領(lǐng)先廠商可通過工藝積累和客戶資源積累取得可觀的毛利率。若行業(yè)競爭加劇，參與者可能通過價格戰(zhàn)維持或取得市場份額，從而影響光芯片廠商的營收和盈利水平。

[1]https://fiber.ofweek.com/2022-10/ART-8100-2100-30576756.html

[2]https://www.lightcounting.com/newsletter/november-2022-special-focus-on-optical-connectivity-and-ai-at-ocp-summit-261

[3] https://www.lightelligence.co/index.php/news/infos/33.html

文章來源

本文摘自：2023年4月6日已經(jīng)發(fā)布的《硬科技前沿系列：“芯”光璀璨，光芯片點(diǎn)亮未來高速連接與計算》

李詩雯 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080521070008 SFC CE Ref：BRG963

鄭欣怡 聯(lián)系人 SAC 執(zhí)證編號：S0080122070103

陳昊 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080520120009 SFC CE Ref：BQS925

于新彥 聯(lián)系人 SAC 執(zhí)證編號：S0080122080172

彭虎 分析員 SAC 執(zhí)證編號：S0080521020001 SFC CE Ref：BRE806

法律聲明