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在人工智能和数据中心迅猛发展的今天，光通信作为高速数据传输的关键技术，正迎来前所未有的发展机遇。本期「C位观察」由CMC资本投资副总裁赵凡和投资分析师孙靖翔共同执笔，将带大家一起深入探讨光通信在AI时代的重要作用及其在数据中心中的应用演进，分析其市场增长的驱动力，并展望未来技术发展的方向。从传统光互联的挑战到下一代技术的创新，如CPO、LPO和硅光芯片的应用前景，文章将揭示光互联行业如何在技术革新中不断突破，满足日益增长的算力需求，推动整个通信行业的发展。通过本文的探讨，读者将对光互联行业的现状与未来有更深入的理解，把握其在数字经济中的核心地位。
赵凡 Fan Zhao
CMC资本 投资副总裁
专注投资领域：先进封装、chiplet、存储、DPU、半导体生产设备及材料、CIM
孙靖翔 Jingxiang Sun
CMC资本 投资分析师
专注投资领域：先进封装、chiplet、存储、三代半导体、通讯芯片、CIM
长文预警：本文约5600字，
预计阅读时长：15分钟
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光通信：AI数据中心时代下的高速出入口
“故事”开端于2023年4月，英伟达报告称，包括光电互联在内的人工智能硬件销售额以令业界感到惊讶的幅度上升。 同时，谷歌增加了对人工智能集群的投资，其他云计算公司也在23年底跟进，中国企业紧随其后，自24年初进一步加快了对人工智能领域投资的步伐。 人工智能军备竞赛正如火如荼的进行期间，光通信行业是少数几个立即受到人工智能影响的行业之一，受益于AI开始了新一轮需求爆发。
光通信是数据中心网络系统的重要组成部分。其作用是将电信号转换为光信号以通过光纤传输数据。这些模块通常由将电信号转换为光信号的发射器和将接收到的信号转换回电信号的接收器组成。它们支持网络设备之间高速、可靠的数据传输，确保关键应用程序的最佳性能。光互联还提供灵活性和可扩展性，允许网络管理员根据需求的变化升级网络。随着数据中心的复杂性和规模不断增长，光学模块仍将是高速、可靠数据传输的重要组件。
图1：光模块应用示意图
资料来源：头豹研究院
光模块主要由电芯片、光芯片、光发射组件、光接收组件等封装而成。光、电芯片为光模块中主要成本构成，占整体BOM成本70%以上。光电芯片是决定光模块速率的关键因素，越高速率的光模块，光电芯片的成本占比越高：
图2：光模块结构示意图（SFP+封装）
资料来源：讯石光通讯
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蓬勃发展的光通信下游场景
光通信应用演进
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光通信的应用场景主要分为两大领域：1）4G/5G 无线网络、固定宽带 FTTX、传输与数通网络等为代表的电信领域；2）承载 AI基建、AR/VR、人工智能、元宇宙等应用的数据中心领域。光模块目前在电信网络和数据中心领域的需求接近1:1，这两大应用场景的规模增速是影响光模块需求景气度的核心指标。数据中心近年来受益于移动互联网、云计算、AI等持续加速，已逐步成为光模块最主要的下游场景。
1990年代开始，光通信应用从中短距离的园区、企业网络延伸到大型数据中心的系统机架间、板卡间、模块间、芯片间应用。数据中心作为数据存储和计算的中心，其在各个时期承载的主要功能有所差异。自2000年以来全球数据中心先后从计算中心过渡到信息中心，再过渡至云计算中心，目前正由云中心向算力中心演变。
图3：中国数据中心产业发展情况
资料来源：数据中心产业发展白皮书（2023）
2021年以来数据中心增长的逻辑主要在于算力需求的扩张。随着以ChatGPT为代表的大语言模型与衍生下游应用成为各大厂商军备竞赛所重点争夺的领域，支撑训练、推理的算力基础设施AIDC建设规模亦迎来新一波爆发浪潮。根据 IDC 预测，预计2027年我国智能算力规模或达 1117.4 EFLOPS，2020-2027年CAGR 达47.1%。在算力需求的推动下未来数年内AIDC规模将持续上升，AIDC的建设将驱动新一轮资本开支增长。
图4：中国智能算力规模预测
资料来源：2023-2024中国人工智能计算力发展评估报告
量价齐升的光模块市场
02
光通信的用量与GPU需求直接挂钩。 考虑到当前阶段英伟达加速卡在AI训练的垄断地位，高速光模块需求与英伟达领先的训练卡出货量高度相关。平均每颗GPU芯片需要12个800G光模块。万卡乃至10万卡对光模块的需求了将更加巨大。GB200 NVL 72（双层IB网络）机柜标配均为1.6T光模块，配比约为1 : 2.5。根据TrendForce数据，预计2024年英伟达训练相关GPU出货量有望突破300万张，以1 : 2.5的理论测算，对应800G光模块需求约为8-900万块。
图5：英伟达训练卡出货量及预测（千张）
资料来源：LightCounting，Coherent，Nvidia
图6：800G以上高速率光模块需求量理论测算（万块）
资料来源：LightCounting，Coherent，Nvidia
AI驱动下，光模块升级周期呈现加速特征，高速率光模块有望实现出货均价提升。GPU算力的持续迭代提升对光模块速率提出了更高要求，单光模块的速率从100G提升到了如今的800G并正往1.6T、3.2T发展，高价值量的新产品加速推出，短期内高速率光模块市场有望出现结构性的均价提升趋势。
2023年数通光模块市场全球整体规模约为50亿美元。光模块是AI投资中网络端的重要环节，其与训练端GPU出货量强相关，同时推理段流量需求爆发也有望带动需求增长。在算力投资持续背景下，AI成为光模块数通市场的核心增长力。据Coherent数据，2023年以太网光模块整体市场规模接近45亿美元（考虑用于存储连接的FC光模块，数通市场规模接近50亿美元），其中800G、1.6T及3.2T的高速数通光模块市场规模将从2023年的6亿美元以超过70%的CAGR增长至2028年的超过90亿美元，LightCounting数据预计AI相关的800G以上数通光模块市场规模将占所有数通光模块的近60%。
图7：以太网光模块市场规模预测（百万美元）
资料来源：Coherent, LightCounting
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光互联重点技术演进方向
传统光互联技术路径迭代与挑战
01
传统光互联方案的迭代依赖DSP速率的持续提升。DSP是光模块电芯片中最核心的组成部分，技术壁垒高，DSP芯片的持续迭代依赖7nm以下先进制程，对于初创公司有较大挑战，市场接近被博通与Marvell两家垄断。在400G、800G、1.6T高速率DSP市场下，博通和Marvell几乎占据全部市场份额；除博通与Marvell之外仅Credo在100G和400G有少量出货。LightCounting数据显示，Marvell在高端DSP市场有绝对的竞争优势，占据60%的市场份额。
以Marvell为例，其持续高端DSP领域布局，当前保持2年迭代一次、传输速率翻倍的研发频率。Marvell在2021年收购了美国公司Inphi，该公司拥有世界领先的信号调制技术积累，开发出了全世界第一款PAM4调制的DSP。这笔收购加强了Marvell在DSP领域的领先地位。目前，Marvell已经能够实现800G DSP芯片量产。此外，合并后的Marvell团队2024年3月推出了业界首款1.6T DSP芯片，进入单通道200G传输速率时代并持续往更先进制程迭代中。
然而，随着光模块速率由100G向800G，乃至未来的1.6T和3.2T演进，光模块技术的升级不仅仅是简单的速率翻倍，更需要解决速率提高所带来的功耗高、成本大等问题。传统独立热拔插式光模块在高速信号传输过程中仍容易出现高功耗和信号损耗。传输速率从100G提升到800G时，单个光模块功耗从~2.5W提升到~30W，单个交换机通常有数十个光模块，全部加载的情况下光模块消耗将达到整机消耗的40%以上。随着单光模块传输速率往1.6T演进，光模块功耗将成为数据中心中不可忽视的重要部分。
图8：与2010年相比，光设备能源消耗将增加26倍
下一代光互联技术迭代演进方向
02
1. 下一代封装技术：CPO（Co-Packaged Optics）
传统的光模块独立于交换芯片之外，通过铜缆或光纤与其他电子组件相连，这种方式在高速信号传输过程中容易产生较大的功耗和信号损耗。CPO封装通过将光模块和交换芯片紧邻封装在一起，可以极大地减少了信号在电光转换和传输过程中的距离，从而显著降低功耗、提高信号完整性、减少延迟，并且缩小了其体积。目前博通公司正在积极进行CPO方向的布局。
图9：CPO封装示意图
图10：博通CPO封装板实物图
然而，CPO对于创业公司实现量产与商业化难度较大。CPO将光模块与交换芯片进行共封装，使用类似于台积电的CoWoS 2.5D/3D先进封装技术。这一过程涉及复杂的半导体封装工艺，初期成本较高，产业成熟度有限。此外，共封装的方案导致即使单一光模块出现故障也需要对整块主板进行更换，维护难度和成本短期内居高不下。目前CPO尚未大规模生产，预计2-3年后将在大型AI数据中心得到应用。当前阶段主要的大客户，包括谷歌、Meta等互联网大厂正在测试 LPO 以及基于硅光技术的新型光模块，商业化验证进度更快。
2. 取舍后的新芯片方案—LPO
LPO，Linear pluggable Optics，线性驱动可插拔光模块。 光模块中仅保留Driver和TIA，并分别集成原先DSP中的CTLE（Continuous Time Linear Equalization）和EQ（Equalization）功能用于对高速信号的补偿，从而取消了高功耗的源头DSP芯片，Broadcom、Cisco等均推出了类似产品。然而LPO方案牺牲了系统误码率和传输距离，使得LPO仅适用于短距离应用场景，如数据中心内部的服务器到交换机的连接。此外，LPO方案的扩展性在Meta等主要下游验证时被证明无法达到传统光模块的水平。
图11：传统光模块架构→LPO架构转换示意图
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下一代光互联核心技术平台—硅光芯片
硅光芯片在硅基材料上制作光器件结构，使得光能够在其中传输并处理信号。这种方式不仅继承了硅材料的高集成度和低成本优势，还结合了光子技术的大带宽和低损耗特点，可应用于光通信等众多领域。通过硅光平台技术融合集成其它新材料，如薄膜铌酸锂、钛酸钡和聚合物等，可以实现更高性能的光子集成系统。硅光技术正在向混合集成方向发展，通过工艺制造技术将不同材料的光器件集成在一起。比如，将铌酸锂或III-V族材料集成到硅基材料上，形成异质集成。硅光制造工艺主要基于传统CMOS 工艺，但具体制造流程需要开发和调整。相对于最先进的数字电路工艺，硅光对工艺制程要求较低，整体采用45-100nm制程即可完成。然而硅光制备工艺需要使用特殊定制节点，需要与晶圆厂协商定制。
硅光模块的优势显著，与传统的分立器件相比，硅光模块的误码率改善了1-2个数量级，功耗降低了10-20%，成本则下降了20-30%。随着光模块的带宽和通道数增加，传统分立器件的成本和功耗问题逐渐显现，而硅光模块则通过高集成度和低功耗的优势脱颖而出，未来有望主导全球光通信市场。权威市场研究机构Yole数据显示，2022年硅光芯片市场价值为6,800万美元，预计到2028年将超过6亿美元， 2022年-2028年的复合年均增长率为44%。推动这一增长的主要因素是用于高速数据中心互联和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学习的800G可插拔光模块，此外在 电信领域、光学激光雷达、量子计算、光计算 以及在 医疗保健领域 都有广阔的发展前景。
图12：2022-2028年硅光模块按应用收入增长预测
整体而言，硅光技术可作为下一代的光模块技术平台，以硅光为基础的技术平台可以通过多种技术路径迭代从根本上长期提升光模块的产品性能。其可以使用下一代材料（如薄膜铌酸锂、磷化铟）提升单通道传输速率，也可通过3D先进封装等后道工艺提升通道数量。此外，硅光技术可应用于CPO、LPO等下一代封装技术，代替其中的分立器件，为下一代封装技术带来额外的性能提升。
硅光技术带来的优异性质决定了其广阔的应用空间，未来数年预计将持续维持高速增长。虽然硅光目前存在缺乏标准化解决方案、工艺复杂等工程问题，各大互联大厂都开始积极布局。由于硅光技术不涉及先进制程与国外独占的先进封装工艺，更适合当前的国内半导体产业现状，国内创业公司也在积极抓住产业变革机会，目前也有部分取得了较为出色的进展。由于硅光涉及不同于标准化数字电路制作的特殊工艺节点，对于创业团队的历史经验以及与晶圆厂合作的紧密程度提出了更大挑战。
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结束语
下一代光互联技术目前仍处于早期应用、验证阶段，各大厂正积极攻克各类技术难点并为新的技术制定标准。我们将持续对光互联的各类技术迭代路线以及商业化进度保持关注，积极把握国产光模块产业链的发展布局机会。
参考资料：
1. 国信证券研究：AI驱动网络变革，光摩尔定律加速
2. 光大证券研究：AI使互联需求跃迁，高速率光模块市场方兴未艾
3. 开源证券研究：光电之门，踏浪前行
4. https://mp.weixin.qq.com/s/8ycdE7DSt6fzzV-Sb7V0zg
5. https://mp.weixin.qq.com/s/bic01yXQVNL0Fr49zuy5Hg
6. https://xueqiu.com/9220532445/312773659
7. https://mp.weixin.qq.com/s/n96dcN7mJVSpC5NO1fGlsg
作者：C位炒股杠杆什么原理，36氪经授权发布。
