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人工智能计算能力需求和相关资本支出的激增带动了对高速光模块的需求显著增加,加快了高速光模块产品的技术迭代步伐。

光模块是人工智能投资中网络端的重要环节,与训练端GPU出货量密切相关。同时,推理端流量需求的爆发也有望带动需求增长。

目前,英伟达最新一代GB200芯片批量出货有望进一步促进800G和1.6T高速光模块的需求。

Coherent预测,未来五年,800G和1.6T数字通光模块市场将以40%以上的复合年增长率迅速扩张。2028年,800G和1.6T数字通光模块的出货量将占市场份额的近40%。

01光模块行业概述

光模块用于电信号和光信号在光纤通信中的相互转换,在发送端实现电/光转换,在接收端实现光/电转换。

根据应用领域,主要有数通市场(Datacom)和电信市场(Telecom)。

经过多年的演变,形成了数通市场规模大于电信市场的格局。

数字光模块的平均迭代周期约为3-4年。例如,从2016年到2021年,100G的生命周期为5年,预计400G的生命周期也将达到4-5年。

从2020年开始,400G数字通光模块进入规模增量阶段,22-24年继续增量;800G数字通信产品从2022Q4开始大规模商业化,2023年进入大规模交付,2024年成为800G光模块批量供应的第一年;与此同时,400G光模块的供应也有望翻倍。

光模块传输速率演进:

800g光模块的技术升级包括三代:

1)第一代为8光8电,光接口为8*100gb/s,*100GB/电接口s,也是2021年投资商用的最早一代;

2)第二代为4光8电,光接口为4*200gb/s,8*100GB/电接口s,预计商业时间为2024年;

3)第三代为4光4电,光接口为4*200gb/s,4*200GB/电接口s,预计商业时间为2026年。

三种800g光模块光接口架构:

资料来源:800 Gbit/s 王会涛/张平化/苏展的光模块技术及应用

FiberMall预计2025年将实现1.6T光模块需求。

值得注意的是,1.6T产品不会取代800G的需求,而是作为补充。随着1.6T光模块的增长,对800G光模块的需求也将同步增长。

此外,根据FibalMall数据,400G光模块在数据中心应用中的能耗为10-12W,800G的能耗为15-18W,未来1.6T的能耗将是400G的两倍,预计高达20-24W。

光模块能耗的激增给数据中心的成本端带来了巨大的压力,解决其能耗问题已成为光模块技术更新的关键。

02

光模块产业链

光模块由光芯片和光器件组装而成,然后插入或嵌入光通信设备,用于设备的外部连接。

光模块产业链上游主要由光芯片制造商和光设备供应商组成,包装中游为光模块,制造光通信设备。

光模块上游原材料供应充足,供应商多,产业发展成熟。

光芯片是上游核心设备,约占光模块总成本的26%。

在成本构成方面,高速光模块的核心设备包括EML激光芯片、DSP芯片、探测器芯片、PCB板和外壳等光学设备,其中激光芯片价值最高。

上游芯片厂商格局相对集中,光芯片中高速VCSEL芯片主要由博通提供;PAM4 目前DSP的主要供应商是Marvelll(Inphi)、博通等,呈现双寡头竞争局面。

低速产品已基本国产化,海外供应商仍占据高速产品的主要份额。

在2.5G及以下光芯片方面,我国光芯片企业基本掌握了2.5G光芯片的核心技术,2.5G光芯片市场基本定位,国内光芯片企业在低速领域占据了90%以上的市场份额。本环节的主要制造商有武汉敏芯、中科光芯、光龙科技、光安伦、石家光子、元杰科技、中电13家。

在10g光芯片方面,中国光芯片企业基本掌握了10g光芯片的核心技术,但部分型号产品仍有较高的技术门槛,依赖进口。在这个速度范围内,国产光芯片的市场份额约为60%。

在25G及以上光芯片方面,国内能够提供性能合格、稳定性可靠的25G及以上高速激光芯片的厂家较少,主要依靠海外进口。

光模块产业链的下游主要是数字通信市场和电信市场,包括互联网、云计算企业、电信运营商等最终用户。

光模块行业通常根据下游客户的需求制定生产计划,然后根据生产计划提前向上游供应商采购原材料。上下游之间存在合作关系。

在下游云制造商自建云基础设施的过程中,海外云制造商在云基础设施方面的投资大于国内云制造商。

全球400G光模块客户主要集中在亚马逊(约45%)和谷歌(约25%)、800g主要集中在英伟达(约50%)、谷歌(约30%)和Meta(约20%)等。

随着海外互联网公司对相关速率要求的不断提高,预计800G光模块将实现快速成交量,早期客户验证的公司也将优先受益。

03光模块产业格局

光模块在服务器和数据中心的高速互联网中起着关键作用。每一代技术升级往往伴随着技术路径的演变,引导竞争格局的变化。

从产业链的角度来看,光模块企业加快并购,垂直整合产业链,进一步提高产业集中度。

从区域发展的角度来看,由于劳动力优势和研发能力的快速提高,国内厂商逐渐在光模块行业占据重要地位。

Lightcounting,光通信行业市场机构,发布了2023年全球光模块TOP10最新版。

中际旭创在2023年排名第一,Coherent(Finisar)排名第二。这两家公司在2021年和2022年的榜单中并列第一。

从中国厂商的整体表现来看,共有7家厂商入围。2023年,徐创科技(排名第一)、华为(排名第三)、光迅科技(排名第五)、海信宽带(排名第六)、新易盛(排名第七)、华工正源(排名第八)、索尔思光电(排名第9)。(注:索尔思光电拥有中国公司华西股份,有望进一步扩大控股权,可以列为中国光模块制造商)。

此外,Coherent(Finisar)、Cisco(Acacia)还有Marvell等国外厂商。

Lightcounting此前调整了统计规则,将设备供应商制造的光模块纳入分析,使华为、思科等设备供应商能够上榜。

2023年,英伟达成为一个新的细分市场,其供应商中际旭创、天府通信、Fabrinet和Coherent的收入增长。

新易盛、光迅科技、华工正源等公司自2023H2起也陆续获得AI企业相关订单,业绩开始逐步回升。

国内龙头厂商预计,海外客户最早将于2024年下半年开始采购和部署1.6T光模块。

据中际徐创介绍,自2023年第二季度800G光模块开始批量生产以来,其订单和出货量每季度实现环比增长。与此同时,DSP、EML等核心原材料在第三季度和第四季度得到了不同程度的供应缓解。预计人工智能关键客户将于2024年下半年开始购买和部署1.6T光模块,相关产品预计将于2025年开始规模增长。

具体产品包括1.6T中际旭创1.6T光模块TOSFP-XDDR8+:模块传输速率达到1.6Tbps,工作温度为0-70°C,传输距离小于32W,可支撑2公里。

OFC2024上,天孚通信专注于1.6T/8 0 M0G光模块配套应用M u xT O S A、D e m u xP O S A、L e n s e dFA U等光发动机产品及解决方案。

2023年OFC推出1.6T相关光模块产品,目前正在积极推进相关产品送样试验,公司部分800G产品已批量发货。2024年OFC期间,公司展示了1.6T、800G、LPO、50GPON等高速光模块解决方案,现场演示100GSFP112系列光模块解决方案。

剑桥科技1.6T光模块产品仍处于研发阶段,公司在2024年OFC展上展示的LiveDemo第一代1.6T光模块产品为研发阶段样品,预计2024年下半年小批量发货。

光迅科技800G产品已批量发货,未来将采用4x200G方案。800GDR8硅光高速模块样品验证进展顺利,具有大规模生产能力。1.6T光模块目前正在积极推进样品测试,目前市场需求尚未开始,1.6T也是8x200G配置方案。

华工科技正在推进1.6T、开发下一代光模块产品,如3.2T,并表示400G已获得几K订单,并开始批量发货;400G/800GDSP系列模块已开始批量发货。

2023年OFC期间,索尔思光电推出了单波200G,用于1.6T光模块 PAM4 EML激光器。

由于1.6T光模块尚未大规模生产,下一代高性能计算设备对通信带宽的要求使云制造商无法避免800G的采购需求,使800G比400G和100G更长。

04

CPO:高速光模块进化技术趋势

随着光模块速率从400G发展到800G,甚至未来的1.6T和3.2T,终端客户希望通过产品迭代获得更好的互联性能、更高的集成度和更低的功耗,光模块衍生出不同的技术路径。

CPO(共包装光学技术)是一种全新的超小型高密度光模块技术,可以替代传统的前面板插拔光模块。

CPO包装电芯片(交换芯片ASIC)和光引擎(光模块)。光引擎或光模块的主要功能是将输入的光信号转换为数字信号,并将SwitchASIC芯片输入的数字信号转换为光信号进行输出。

根据LightCounting报告,CPO出货预计将从800G和1.6T端口开始,2024年至2025年开始商业化,2026年至2027年开始规模增长,到2027年,CPO技术在800G和1.6T光模块中的份额将达到30%。

从光模块技术和速度演变趋势来看,行业主流仍以插拔光模块为主,采用光电包装CPO技术的光模块仍处于产业化初期,预计未来将成为主导地位。

CPO产业链玩家主要包括芯片和模具公司、设备制造商和终端用户。

英伟达、思科、英特尔、博通等海外制造商,以及华为、腾讯、阿里巴巴等国内大型制造商,都在储备或购买相关设备,部分已应用于超级计算等市场。

近年来,头部光模块制造商相继推出了共包装光学CPO方案,目前正处于渗透性提高、出货爬坡阶段。

据不完全统计,联特科技、锐捷网络、中际徐创、通宇通信、中京电子、天府通信、新易盛、光迅科技、德科立、仕佳光子、恒通光电、剑桥科技、博创科技等多家公司透露,有CPO相关技术研发或业务布局。

部分国内厂商CPO相关布局:

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GB200芯片批量出货有望进一步促进800G和1

随着我国光通信产业的快速发展,世界上主要的光通信模块制造商逐渐将制造基地转移到以中国为代表的发展中国家,预计国内光模块制造商将继续扩大其优势。

目前,全球数据流量不断爆发,英伟达等人工智能技术巨头引领行业不断创新迭代。在2024年的指导下,海外大工厂明确提出将增加IDC、投资于光通信相关建设,如云服务和人工智能基础设施。

人工智能计算能力和大型模型的持续繁荣也将推动光模块向更高的速度方向发展,预计该行业将迎来加速上升的空间。乐清智库精选

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