CPO加速硅光加速,共振引领光通信走向代际替代

英伟达在GTC2024上正式推出了新一代AI图形处理器，称为Blackwell（GPU），第一款Blackwell芯片名为GB200，有望进一步催生全球高速光模块需求。全球计算能力需求和相关资本支出的激增推动了800G等高速光模块需求的显著增长，加快了高速光模块产品的技术迭代步伐。在人工智能时代，计算能力需求激增，高速、低功耗成为光模块的核心趋势。随着对高速光模块需求的爆发，新一代硅光技术有望突破当前光通信传输速率的瓶颈，成为人工智能高性能计算领域和光模块的关键技术方向之一。目前，随着光模块产品代际迭代周期的缩短，光模块制造商将对新技术和新材料更加开放，硅光在高速背景下具有明显的优势。在Lightcounting2023年发布的第九版硅光市场报告中，预计硅光模块在光模块中的总份额将从2022年的24%提高到2028年的44%。硅光是全球光模块市场的主流技术之一

硅光技术长期以来一直被提出。当市场广泛讨论硅光技术时，默认指硅光技术的“最终集成模式”，即硅光模块，但事实上，严格地说，硅光技术包括三种产品：硅光设备、硅光芯片、硅光模块。硅光器件是包括光源、调制器、探测器、波导等基本硬件。硅光芯片是集各发送/接收/检测/调制芯片于一体的单芯片，具有性能高、功耗低、成本低等优点。硅光模块是硅光技术的集成产品形式，集光源、硅光芯片、模块，如光发送器件、光接收模块，甚至外部驱动电路。硅光子技术基于标准硅制成的硅衬底材料，采用CMOS 等工艺应用于光电一体化设备的制造。其物理结构由硅衬底激光器、硅衬底光电集成芯片、光纤等辅助材料组成。其核心概念是“用光代电”，即用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件和电子元件集成到独立的微芯片中，以提高芯片之间的连接速度。与分立器件方案不同，硅光技术集成度更高，包装形式更简化。与传统的分立设备方案相比，硅光模块技术的优点包括：1）高集成度：采用半导体制造工艺将硅光材料和设备集成在同一硅基底部，形成由光调节器、探测器、无源波导设备组成的集成光子设备。相较磷化铟（InP）由有源材料制成的传统分立器件，硅光模块不需要ROSA(光接收组件)、TOSA(光发射组件)包装，因此硅光器件体积和数量较小，集成度较高。2）低成本：与传统的分立式设备相比，硅光模块集成度更高，包装和劳动力成本更低；此外，硅基材料的成本较低，可以大规模生产，这意味着硅基芯片的成本可以大大降低。3)兼容成熟CMOS工艺:硅光子技术可以利用半导体在大规模、小规模制造和集成方面的成熟工艺积累优势。02硅光模块产业链梳理

传统光模块产业链主要由四个环节组成：光芯片-光器件-光模块-数据交换设备制造商。硅光模块与传统光模块产业链的主要区别在于，它是一种高度集成的单芯片，而不是传统分离多器件的组合。然而，硅光模块的高度集成将减少一些配套设备的使用，这一趋势在后续“On-Board在封装方案中体现会更加明显。经过多年的发展，硅光应用充分利用现有产业资源，形成了自身独特的成熟产业链。硅光子技术产业链上游包括光芯片设计、SOI衬底、外延板和OEM，中游为光模块制造商，下游分为数字通信和电信，主要包括亚马逊、微软等云制造商IBM、Meta等；华为、中兴通讯、烽火等光通信设备制造商及通信运营商。基于1985年左右提出的波导理论，硅光技术在2005-2006年左右开始逐步从理论向产业化发展，Luxtera、Kotura等先驱不断推动技术和产业链的发展，硅光芯片代工厂的形成（Global Foundries、意法半导体、AIM等。)、激光芯片代工厂(联亚电子等)、芯片设计与包装（Luxtera、Kotura等。)更成熟的Fabless产业链模式，以Intel为代表的IDM模式，除了激光芯片，设计、硅芯片加工、密封测试自己完成）。硅光产业链自2016年在100G光模块领域实现大规模出货以来，近年来不断成熟完善。自2016年100G光模块领域大规模发货以来，硅光产业链近年来不断成熟和完善。其优势主要体现在高集成度、降低功耗、降低成本等方面，硅光技术具有较强的通用性，LPO、基于硅光平台，包括薄膜铌酸锂调制器，CPO也可以在硅光上制造。在当前人工智能大模型引发的算力革命下，CPO加速硅光加速，共振引领光通信走向代际替代。CPO是一种将硅光模块和CMOS芯片共同包装的技术，缩短了光学发动机与交换芯片之间的连接距离，从而减少了传输损失，提高了速度和质量。除了硅光的制造工艺外，光模块的包装技术与硅光的着陆难度密切相关，共同包装技术进一步降低了硅光单片集成的难度，预计未来两者将形成良性循环，加速从800g/1.6T时代到硅光时代的光通信。03硅光模块市场竞争格局

在全球市场格局方面，提前布局硅光芯片设计或与头部硅光芯片平台开发的光模块封装制造商正在加快份额突破。目前，英特尔是全球领先的制造商，IBM、NEC、NTT、Fujitsu、台积电等企业都布局了硅光芯片行业，Marvell、投资100亿美元的思科和诺基亚收购了Inphi、Acacia、硅光领域的创新企业，如Elenion。以英特尔和思科为代表的领先制造商具有PIC设计和模块集成能力，并与下游云制造商和人工智能等巨头保持密切合作。它们具有明显的优势，在供应链中发挥着明显的主导作用。近20年来，英特尔硅光技术一直是世界上研发时间最长、投资最大的公司之一。英特尔在数通市场占据领先地位，占61%，随后的思科、博通分别占20%和7%。在电信市场，思科占据了49%的市场份额，随后的Lumentum和Marvell分别占30%、18%的电信市场增长主要来自长途网络的相关可插拔模块。目前，硅光技术已进入工业化阶段，龙头厂商先后推出芯片级、模块级产品，逐步实现小批量商业出货。芯片技术需要长时间的迭代试错。随着产业链多年的研发，硅光技术的积累达到了质的变化水平，硅光技术站在大型商业起跑线上。中国在硅光器件研究方面与国际先进国家同时起步，研究水平相当。然而，国内制造商和海外龙头制造商在硅光芯片产业化和产业链方面仍有很大的改进空间。近年来，我们主要依靠并购和与外资企业的合作模式进入市场。2013年，华为收购了硅光子公司Caliopa，并在英国建立了发展硅光技术的工厂。2017年，亨通光电与英国硅光子公司洛克利合作，获得更多硅光芯片技术许可，并于2020年发布400G硅光模块。2018年，光迅科技在国家信息光电子创新中心等单位成功开发了除100G硅光收发芯片，并正式投入使用。2020年，博创科技与Sicoya达成合作协议，推出400G数据通信硅光模块高性价比解决方案。随着计算能力和高速光模块需求的提高，中际徐创、新易盛、光迅科技、剑桥科技、博创科技、罗博特科技、源杰科技、石家光子、中国科技、恒通光电、太辰光、天府通信、光库科技等国内厂商纷纷布局硅光技术领域，预计未来将进一步开拓市场空间。硅光技术在国内部分主要厂商的布局：从整体发展趋势来看，信石通信、天丰证券硅光技术逐渐成熟，并基于大规模CMOS 综合生产具有能耗低、成本低、带宽大、传输速率高等明显优点。硅光技术产业链仍处于发展的早期阶段，下游客户认证仍需时间，整体产品出货量仍较低，不能反映CMOS工艺生产成本的规模效应，也没有足够的出货支持工艺优化和良好率的持续提高，同时由于材料和生产技术的复杂性，也存在一定的不足。硅光技术的大规模应用仍需要一段时间的沉淀和新的突破。短期内，硅光模块难以完全取代传统的光模块，光模块产业链仍将呈现各种技术的行业特征。从长远来看，硅光技术作为一种新的技术解决方案，将与分立式光模块竞争，这将共同受益于网络流量持续快速增长带来的出货量增长和速度持续增长带来的价值增长。精选乐晴智库