2024年光模塊行業(yè)專題報(bào)告：AI驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)變革_光摩爾定律加速一、光模塊：數(shù)據(jù)傳輸核心器件，受益AI需求爆發(fā)光模塊：光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的核心器件光模塊是用于設(shè)備與光纖之間光電轉(zhuǎn)換的接口模塊，主要用于實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，是現(xiàn)代光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的必要器件。光模塊主要由光學(xué)器件和輔料（外殼、插針、PCB與控制芯片）構(gòu)成。光學(xué)器件（包括光芯片和光學(xué)元件組件）約占光模塊成本70%以上，輔料（外殼、插針、PCB與電路芯片等）占光模塊總成本近30%。光發(fā)射組件TOSA一般包含激光二極管、背光監(jiān)測(cè)二極管、耦合部件、TEC以及熱敏電阻等元件。一定速率的電信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片處理后驅(qū)動(dòng)激光器（LD）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號(hào)，通過光功率自動(dòng)控制電路，輸出功率穩(wěn)定的光信號(hào)。光接收組件ROSA一般包含光電探測(cè)器、跨阻放大器、耦合部件等元件。一定速率的光信號(hào)輸入模塊后由光探測(cè)器轉(zhuǎn)（PD/APD）換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器（TIA)放到后輸出相應(yīng)速率的電信號(hào)。光模塊：百億美元市場(chǎng)規(guī)模，流量增長(zhǎng)是推動(dòng)核心光通信的應(yīng)用與信息流量爆發(fā)式增長(zhǎng)密切相關(guān)。隨著信息爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)通信質(zhì)量、信息質(zhì)量要求越來越高，光通信成為必然出路。在目前電光網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)中，光模塊是承擔(dān)光電轉(zhuǎn)換功能的核心器件，所以光模塊的需求核心來自于數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)式增長(zhǎng)。而當(dāng)數(shù)據(jù)流量的核心增量從電信網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)中心、再向AI集群轉(zhuǎn)移時(shí)，光模塊不同階段的主要增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力也發(fā)生變化。根據(jù)LightCounting數(shù)據(jù)，光器件光模塊市場(chǎng)規(guī)?？傮w超過百億美元，其中數(shù)通市場(chǎng)占比已達(dá)半數(shù)，數(shù)通市場(chǎng)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和AI的不斷發(fā)展推動(dòng)下，成為光器件光模塊產(chǎn)業(yè)的主要下游場(chǎng)景。電信市場(chǎng)：整體市場(chǎng)有望企穩(wěn)回升電信光模塊全球市場(chǎng)規(guī)模在50-60億美元左右。電信市場(chǎng)中，光模塊主要包括固網(wǎng)接入（FTTx）、無線接入（無線前傳和回傳）以及無源波分系統(tǒng)使用的CWDM/DWDM模塊（包括DCI/城域網(wǎng)/骨干網(wǎng)）等場(chǎng)景。整體來看，電信市場(chǎng)需求在經(jīng)歷2019年5G迭代升級(jí)驅(qū)動(dòng)后達(dá)到相對(duì)高點(diǎn)，近年來需求有所放緩，整體市場(chǎng)規(guī)模約50-60億美元。其中CWDM和DWDM模塊占比最高，目前市場(chǎng)規(guī)模在40億美元左右；無線前傳和無線回傳模塊市場(chǎng)規(guī)模約6億美元；FTTx所使用的PON模塊市場(chǎng)規(guī)模約10億美元左右。電信市場(chǎng)出貨結(jié)構(gòu)上，用于光纖接入的PON模塊占比較大（近年出貨超9000萬塊）；波分復(fù)用（WDM）光模塊的單價(jià)較高，近年出貨量在180萬塊左右。數(shù)通市場(chǎng)：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心需求平穩(wěn)，AI成為核心增長(zhǎng)來源數(shù)通光模塊市場(chǎng)整體規(guī)模目前約50億美元，AI成為后續(xù)核心增長(zhǎng)來源。光模塊是AI投資中網(wǎng)絡(luò)端的重要環(huán)節(jié)，其與訓(xùn)練端GPU出貨量強(qiáng)相關(guān)，同時(shí)推理段流量需求爆發(fā)也有望帶動(dòng)需求增長(zhǎng)。在算力投資持續(xù)背景下，AI成為光模塊數(shù)通市場(chǎng)的核心增長(zhǎng)力。據(jù)Coherent數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2023年以太網(wǎng)光模塊整體市場(chǎng)規(guī)模接近45億美元（考慮用于存儲(chǔ)連接的FC光模塊，數(shù)通市場(chǎng)規(guī)模接近50億美元），其中800G、1.6T及3.2T的高速數(shù)通光模塊市場(chǎng)規(guī)模將從2023年的6億美元以超過70%的CAGR增長(zhǎng)至2028年的超過90億美元，預(yù)計(jì)AI相關(guān)的800G以上數(shù)通光模塊市場(chǎng)規(guī)模將占所有數(shù)通光模塊的近60%。傳統(tǒng)市場(chǎng)需求方面，根據(jù)LightConting數(shù)據(jù)，2023年整體市場(chǎng)有一定承壓，有望于2024年修復(fù)，整體增長(zhǎng)相對(duì)平緩。價(jià)：長(zhǎng)期下降趨勢(shì)下，有階段性上升AI驅(qū)動(dòng)下，光模塊升級(jí)周期呈現(xiàn)加速特征，高速率光模塊有望實(shí)現(xiàn)出貨均價(jià)提升。光模塊的價(jià)格在代際內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格年降，同時(shí)更高速率升級(jí)驅(qū)動(dòng)下，單位比特成本整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。但由于AI帶動(dòng)光模塊速率升級(jí)的周期加速（詳見第三章），高價(jià)值量的新產(chǎn)品加速推出，短期內(nèi)高速率光模塊市場(chǎng)有望出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的均價(jià)提升趨勢(shì)。驅(qū)動(dòng)力：打破英偉達(dá)壟斷，釋放新需求超以太網(wǎng)聯(lián)盟成立，推動(dòng)在AI領(lǐng)域與IB展開競(jìng)爭(zhēng)。超以太網(wǎng)聯(lián)盟（UltraEthernetConsortium，UEC）集結(jié)了AMD、Intel、博通、思科、Arista、HPE、Meta、微軟等云廠商，為AI領(lǐng)域提供基于以太網(wǎng)的開放、可互操作、高性能的全通信堆棧架構(gòu)。UEC將推出新傳輸協(xié)議，提供更靈活的傳輸，不需要無損網(wǎng)絡(luò)，允許many-to-many人工智能工作負(fù)載所需的多路徑和無序數(shù)據(jù)包傳輸?shù)裙δ?。谷歌也自研了Falcon傳輸協(xié)議，支持RDMA和NVMe以及擴(kuò)展的上層協(xié)議ULP，通過映射層它還兼任傳統(tǒng)IB的Verbs。當(dāng)前AI網(wǎng)絡(luò)主要采用IB協(xié)議，以太網(wǎng)協(xié)議的完善有望推動(dòng)相關(guān)交換機(jī)廠商加速AI領(lǐng)域產(chǎn)品迭代，釋放高速光模塊新需求。二、AI集群網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級(jí)，光模塊需求彈性大數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和光模塊數(shù)量息息相關(guān)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)推動(dòng)著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級(jí)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心經(jīng)歷了從三層架構(gòu)到葉脊架構(gòu)的改變，主要是為了適配數(shù)據(jù)中心東西向流量的增長(zhǎng)。隨著數(shù)據(jù)上云的進(jìn)程持續(xù)加速，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，而其中所采用的的虛擬化、超融合系統(tǒng)等應(yīng)用推動(dòng)數(shù)據(jù)中心東西向流量大幅增長(zhǎng)——根據(jù)思科此前的數(shù)據(jù)，2021年數(shù)據(jù)中心相關(guān)的流量中，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的流量占比超過70%。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化導(dǎo)致光模塊需求的變化。以傳統(tǒng)三層架構(gòu)到葉脊架構(gòu)的轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，光模塊數(shù)量提升最高可達(dá)到數(shù)十倍。GH200：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及光模塊需求測(cè)算針對(duì)單個(gè)GH200集群：256張超級(jí)芯片GPU互聯(lián)，采用2層fat-tree網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中兩層網(wǎng)絡(luò)均采用NVLinkswitch來完成搭建，第一層（服務(wù)器和Level1交換機(jī)）之間使用了96臺(tái)交換機(jī)，Level2使用了36個(gè)交換機(jī)。NVLinkswitch的配置參數(shù)為：每臺(tái)交換機(jī)擁有32個(gè)端口，每個(gè)端口速率為800G。由于NVLink4.0對(duì)應(yīng)互聯(lián)帶寬雙向聚合是900GB/s，單向?yàn)?50GB/s，則256卡的集群中，接入層總上行帶寬為115200GB/s，考慮胖樹架構(gòu)以及800G光模塊傳輸速率（100GB/s），800G光模塊總需求為2304塊。因此，GH200集群內(nèi)，GPU:光模塊=1:9。若考慮多個(gè)GH200互聯(lián)，參考H100架構(gòu)，3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，GPU:800G光模塊需求=1:2.5；2層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，GPU:800G光模塊=1:1.5。即多個(gè)GH200互聯(lián)情況下，GPU:800G光模塊上限=1:（9+2.5）=1:11.5。Meta算力集群架構(gòu)及應(yīng)用Meta此前發(fā)布“ResearchSuperCluster”項(xiàng)目用于訓(xùn)練LLaMA模型。RSC項(xiàng)目第二階段，Meta總計(jì)部署2000臺(tái)A100服務(wù)器，包含16000張A100GPU，集群共包含2000臺(tái)交換機(jī)、48000條鏈路，對(duì)應(yīng)三層CLOS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，若采用全光網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)9.6萬個(gè)200G光模塊，即A100:光模塊=1:6，與前文測(cè)算的A100架構(gòu)相同。針對(duì)LLaMA3的訓(xùn)練，Meta使用了H100GPU，包含IB和以太網(wǎng)集群，最大均可支持3.2萬張GPU。針對(duì)以太網(wǎng)方案，根據(jù)Meta披露的信息，其算力集群仍采用了有收斂的葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——每個(gè)機(jī)架2臺(tái)服務(wù)器，接入1個(gè)TOR交換機(jī)（采用Wedge400），一個(gè)集群中有252臺(tái)服務(wù)器；Cluster交換機(jī)采用Minipack2OCP機(jī)架交換機(jī)，一個(gè)集群中共使用18個(gè)Cluster交換機(jī)，推算收斂比為3.5:1；匯聚層交換機(jī)共18臺(tái)（采用Arista7800R3），收斂比為7:1。集群主要采用400G光模塊，從集群架構(gòu)來看，以太網(wǎng)方案仍有待在協(xié)議層面進(jìn)一步突破，推動(dòng)無阻塞網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，關(guān)注超以太網(wǎng)聯(lián)盟等進(jìn)展。三、光摩爾定律加速，關(guān)注新材料、新封裝光摩爾定律：傳輸速率提升，單位bit的成本、功耗下降數(shù)據(jù)流量爆發(fā)帶來流量洪水壓力下，帶寬瓶頸不僅帶來傳輸效率的問題，采用多個(gè)相對(duì)低速率鏈路捆綁的方式也會(huì)引入負(fù)載不均衡的問題。因此數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)要求光模塊速率提升，同時(shí)也降低單位數(shù)據(jù)傳輸成本。更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬能夠在單位時(shí)間傳輸更多的數(shù)據(jù)量，事實(shí)上能夠降低單位bit的傳輸成本，即“光摩爾定律”——短距光模塊每4年左右演進(jìn)一代，比特成本下降一半、功耗下降一半。英偉達(dá)致力于持續(xù)提升算力集群網(wǎng)絡(luò)帶寬以英偉達(dá)為例，從A100、H100到B100，對(duì)應(yīng)網(wǎng)卡接口速率從200G提升到800G；H100的卡間互聯(lián)采用NVLink4.0，雙向帶寬提升到900GB/s。反面案例而言，英偉達(dá)面向中國(guó)市場(chǎng)推出的H800，由于卡間互聯(lián)帶寬降為400GB/s，大模型訓(xùn)練效率有明顯降低。展望后續(xù)，算力集群通信帶寬持續(xù)迭代提升。IB網(wǎng)絡(luò)層面，英偉達(dá)有望在B100、X100分別引入XDR800G網(wǎng)卡和GDR1.6T網(wǎng)卡。并且，由于NVLink對(duì)比PCIe的大帶寬優(yōu)勢(shì)，英偉達(dá)進(jìn)一步探討了NVLink從GPU互聯(lián)拓展至服務(wù)器間互聯(lián)的可能性——以H100和A100對(duì)比為例，根據(jù)英偉達(dá)官網(wǎng)，若完全采用NVLink網(wǎng)絡(luò)下（即將IB網(wǎng)絡(luò)替換為NVLink），H100集群訓(xùn)練效率最大有9x的提升。從光模塊層面，算力集群中，光模塊的帶寬與網(wǎng)卡帶寬密切相關(guān)，因此算力集群網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，要求光模塊持續(xù)向更高速率升級(jí)。1.6T芯片：?jiǎn)瓮ǖ?00G芯片方案逐步成熟從上游光電芯片維度來看，Lumentum預(yù)計(jì)200GEML方案將在2024年下半年開始出貨；三菱于OFC2023推出單波200GPAM4CWDM4EML芯片。2023年3月，Marvell發(fā)布了新一代Nova系列PAM4DSP芯片，采用5nm先進(jìn)制程，可應(yīng)用于1.6T的DR8/DR4.2/2xFR4/LR8光模塊中；Semetch和博通于ECOC2023展示200G單通道方案，采用博通112GbdPAM4DSP芯片。從適配交換芯片情況來看，博通、思科、Nvidia都已經(jīng)推出51.2T的交換芯片產(chǎn)品；MarvellTerlynx10有望于2024年投產(chǎn)。硅光：CPO光引擎最佳產(chǎn)品形態(tài)如前文所述，CPO旨在將光學(xué)器件和ASIC芯片直接封裝成片上系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高密度的光電集成和更高性能的光通信系統(tǒng)。硅光是CPO交換機(jī)中光引擎的最佳產(chǎn)品形態(tài)，也是未來硅光在數(shù)通最具潛力的應(yīng)用場(chǎng)景——CPO技術(shù)是通過硅光子實(shí)現(xiàn)光學(xué)I/O，而采用硅光技術(shù)可以輕松突破現(xiàn)有帶寬的瓶頸。四、競(jìng)爭(zhēng)格局：國(guó)內(nèi)廠商領(lǐng)先，龍頭廠商核心受益AI競(jìng)爭(zhēng)壁壘：研發(fā)優(yōu)勢(shì)光模塊廠商需要持續(xù)研發(fā)投入從而抓住代際升級(jí)新品機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大并鞏固市場(chǎng)份額。對(duì)下一代際產(chǎn)品的前瞻布局和研發(fā)、新技術(shù)的儲(chǔ)備和預(yù)研，都需要光模塊廠商持續(xù)投入研發(fā)。頭部廠商具備雄厚的研發(fā)實(shí)力和再投入意愿，在代際升級(jí)時(shí)往往取得最大的行業(yè)紅利，進(jìn)一步鞏固優(yōu)勢(shì)。競(jìng)爭(zhēng)壁壘：規(guī)模效應(yīng)由于光模塊價(jià)格存在年降，先進(jìn)入者具備規(guī)模效應(yīng)優(yōu)勢(shì)。光模塊價(jià)格受摩爾定律影響，光模塊進(jìn)入量產(chǎn)后，芯片價(jià)格和光模塊價(jià)格快速下降。例如100G光模塊自2016年開始規(guī)?；鲐?，2017/2018/2019/2020年的價(jià)格年降幅分別為25%/39%/37%/23%；400G光模塊2020-2021年平均出貨價(jià)格的年降幅度分別為31%/24%。因此先進(jìn)入者由于在規(guī)模上具備優(yōu)