中國光交換機(jī)行業(yè)政策、市場規(guī)模及投資前景研究報(bào)告（智研咨詢發(fā)布）內(nèi)容概要：光路交換機(jī)（OCS）不同于傳統(tǒng)交換機(jī)，可直接進(jìn)行光路交換，無需做光電轉(zhuǎn)換。OCS的設(shè)計(jì)理念是光纖信號進(jìn)入交換機(jī)后，不再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而是通過光信號的波分復(fù)用、交叉連接等進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)等操作，光電轉(zhuǎn)換在服務(wù)器端進(jìn)行；同時(shí)配合3D環(huán)狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，OCS有效降低了通信硬件成本和功耗。根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，光交換技術(shù)一般可分為MEMS技術(shù)、數(shù)字液晶DLC技術(shù)、直接光束偏轉(zhuǎn)DLBS技術(shù)。OCS技術(shù)近年來因谷歌的推動(dòng)而備受關(guān)注，在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用逐漸增多。為了支持AI訓(xùn)練等大規(guī)模計(jì)算，谷歌陸續(xù)研發(fā)了TPUv4和TPUv5等多代基于OCS可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的超級計(jì)算機(jī)。谷歌證明了在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署

OCS

的可行性和優(yōu)勢。通過在基于

MEMS

的交換、定制收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的創(chuàng)新，谷歌提供了靈活、低功耗和高性價(jià)比的連接解決方案。隨著數(shù)據(jù)中心帶寬需求在

ML

和云計(jì)算的推動(dòng)下不斷增長，OCS

技術(shù)將在擴(kuò)展和優(yōu)化這些網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮越來越重要的作用。近幾年，光交換機(jī)需求增長，2023年全球光交換機(jī)出貨量達(dá)1萬臺(tái)，2024年出貨量約1.3萬臺(tái)。光交換機(jī)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，但仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展瓶頸。未來隨著企業(yè)不斷加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，光交換機(jī)性能將進(jìn)一步提升，制造和部署成本有望下降，為大規(guī)模應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。上市企業(yè)：銳捷網(wǎng)絡(luò)（301165）、中興通訊（000063）、紫光股份（000938）、光迅科技（002281）、凌云光（688400）、騰景科技（688195）、太辰光(300570)、中際旭創(chuàng)（300308）相關(guān)企業(yè)：華為技術(shù)有限公司、銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司、新華三技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司、騰景科技股份有限公司、武漢光迅科技股份有限公司、廣東賽微微電子股份有限公司、蘇州盛科通信股份有限公司、廣東億源通科技股份有限公司、凌云光技術(shù)股份有限公司關(guān)鍵詞：光交換機(jī)、交換機(jī)、數(shù)據(jù)中心、AI數(shù)據(jù)中心一、光交換機(jī)相關(guān)概述光路交換機(jī)（OCS）不同于傳統(tǒng)交換機(jī)，可直接進(jìn)行光路交換，無需做光電轉(zhuǎn)換。OCS的設(shè)計(jì)理念是光纖信號進(jìn)入交換機(jī)后，不再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而是通過光信號的波分復(fù)用、交叉連接等進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)等操作，光電轉(zhuǎn)換在服務(wù)器端進(jìn)行；同時(shí)配合3D環(huán)狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，OCS有效降低了通信硬件成本和功耗。光交換的主要性能指標(biāo)包括：切換速度、插入損耗、回波損耗、耐用性和可靠性等。光交換機(jī)主要性能指標(biāo)根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，光交換技術(shù)一般可分為MEMS技術(shù)、數(shù)字液晶DLC技術(shù)、直接光束偏轉(zhuǎn)DLBS技術(shù)。MEMS光交換由輸入光纖準(zhǔn)直器陣列、輸入MEMS微鏡陣列，輸出MEMS微鏡陣列、輸出光纖準(zhǔn)直器陣列及配套驅(qū)動(dòng)、控制軟硬件構(gòu)成。數(shù)字液晶光交換構(gòu)成與關(guān)鍵部件功能包括：光纖準(zhǔn)直器陣列FAU（提供N*N端口信號光的輸入與輸出）、偏振處理模塊（對入射光進(jìn)行S偏振與P偏振的分束與合束），LCLM液晶光模塊陣列（LC可調(diào)延遲器與雙折射晶體光楔的組合經(jīng)過多層級聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)N*N信號光偏轉(zhuǎn)）。直接光束偏轉(zhuǎn)光交換是將光纖準(zhǔn)直器直接固定在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上，每個(gè)準(zhǔn)直器尾部與壓電陶瓷相連，排列成二維準(zhǔn)直器陣列，將兩個(gè)二維準(zhǔn)直器陣列面對面放置，構(gòu)成光開關(guān)矩陣，利用壓電陶瓷機(jī)電耦合效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)直器位移與角度傾斜，使兩陣列對應(yīng)端口匹配對準(zhǔn)，完成通道連接，實(shí)現(xiàn)光交換功能。光交換技術(shù)對比相關(guān)報(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2025年中國光交換機(jī)行業(yè)市場發(fā)展態(tài)勢及產(chǎn)業(yè)需求研判報(bào)告》二、光交換機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀OCS技術(shù)近年來因谷歌的推動(dòng)而備受關(guān)注，在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用逐漸增多。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的流量主要是出入數(shù)據(jù)中心的流量，稱為南北向流量。即使網(wǎng)絡(luò)層之間的收斂比很高，傳統(tǒng)的樹形拓?fù)湟材軡M足這些流量需求。如果需要增加帶寬，可以通過升級設(shè)備或使用更高端口密度的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。如今，許多大型數(shù)據(jù)中心處理大量服務(wù)器間的流量，稱為東西向流量，這些流量不會(huì)離開數(shù)據(jù)中心。例如，一些應(yīng)用需要在集群間復(fù)制大量數(shù)據(jù)，或進(jìn)行虛擬機(jī)遷移。由于物理限制（如交換機(jī)端口密度低），擴(kuò)展傳統(tǒng)樹形拓?fù)鋪頋M足帶寬需求不僅成本高昂，而且難以實(shí)現(xiàn)。東西向流量的增加使得傳統(tǒng)三層數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的帶寬成為瓶頸，且服務(wù)器間的延遲會(huì)因流量路徑不同而有所變化。為了解決這些問題，提出了基于Clos網(wǎng)絡(luò)的Spine-and-Leaf架構(gòu)。在Clos架構(gòu)中，如下圖所示，每個(gè)Leaf交換機(jī)都與所有Spine交換機(jī)相連，形成全網(wǎng)狀連接拓?fù)?。Leaf交換機(jī)連接服務(wù)器等設(shè)備，Spine層則負(fù)責(zé)將所有Leaf交換機(jī)連接起來。當(dāng)Leaf層的接入端口和上行鏈路沒有瓶頸時(shí)，這種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了無阻塞連接。在Spine-and-Leaf架構(gòu)中，任意兩個(gè)服務(wù)器之間的連接都需要經(jīng)過相同數(shù)量的設(shè)備（除非這兩個(gè)服務(wù)器在同一個(gè)Leaf下），這使得延遲可以預(yù)測。由于東西向帶寬更高，這種架構(gòu)更適合現(xiàn)代微服務(wù)場景。當(dāng)Spine-and-Leaf架構(gòu)中任意一層存在帶寬瓶頸時(shí)，只需添加新設(shè)備并將其與另一層的所有設(shè)備相連即可，實(shí)現(xiàn)了易于實(shí)施的橫向擴(kuò)展。典型的Clos網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)谷歌公布的Jupiter項(xiàng)目，通過使用光交換機(jī)（OCS）實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，批量部署光電混合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵推動(dòng)因素是從Clos發(fā)展為聚合塊之間的直接連接拓?fù)?。為此的關(guān)鍵架構(gòu)變化包括：數(shù)據(jù)中心互聯(lián)層采用基于MEMS技術(shù)的光交換機(jī)(OCS)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)拓?fù)渲匦屡渲谩⒂糜诹髁抗こ痰募惺杰浖x網(wǎng)絡(luò)(SDN)控制器，以及用于增量容量交付和拓?fù)涔こ痰淖詣?dòng)化網(wǎng)絡(luò)操作。完全消除了Spine交換層及其相關(guān)挑戰(zhàn)，并使Jupiter能夠逐步整合40Gbps、100Gbps、200Gbps和更高的網(wǎng)絡(luò)速度。直連架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)管理、流量和拓?fù)涔こ碳夹g(shù)相結(jié)合，使Jupiter能夠應(yīng)對流量的不確定性、大量的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，并且不需要任何停機(jī)時(shí)間或服務(wù)流失。除了比靜態(tài)Clos結(jié)構(gòu)提高5倍的速度、容量和額外的靈活性外，這些變化還使架構(gòu)和增量成本降低了30%，功耗降低了41%。谷歌在其數(shù)據(jù)中心中部署OCS為了支持AI訓(xùn)練等大規(guī)模計(jì)算，谷歌陸續(xù)研發(fā)了TPUv4和TPUv5等多代基于OCS可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的超級計(jì)算機(jī)。TPUv4集群首次引入OCS，一個(gè)集群有64個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架16個(gè)tray盤，每個(gè)tray盤上4個(gè)TPU，共計(jì)4096個(gè)芯片，64個(gè)機(jī)架之間通過48個(gè)OCS光交換機(jī)互聯(lián)。OCS光交換機(jī)架構(gòu)新一代TPUv5將POD規(guī)模擴(kuò)大了一倍，達(dá)到8960張TPU，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算性能是TPUv4的兩倍，HBM內(nèi)存是TPUv4的三倍。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)上采用3D環(huán)面實(shí)現(xiàn)TPU之間的互聯(lián)，部署OCS的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：（1）OCS通過繞過故障來提高可用性：在99.0%的單設(shè)備可用度時(shí)，調(diào)度2000個(gè)節(jié)點(diǎn)AI訓(xùn)練作業(yè)，不采用OCS方案集群可用率僅為1%，采用OCS方案可以將集群可用率提高到約50%。（2）OCS縮短了部署時(shí)間：對于TPUv4，OCSes使每個(gè)機(jī)架獨(dú)立，因此每個(gè)43塊在安裝和測試64個(gè)芯片和必要的電纜后立即投入生產(chǎn)。增量部署大大提高了TPUv4超級計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)使用時(shí)間，從而提高了成本效益。（3）OCS簡化了調(diào)度，從而提高了利用率：對于TPUv4，它可以從超級計(jì)算機(jī)的任何地方挑選四個(gè)43塊。切片甚至不需要是2的冪。（4）OCS模塊化優(yōu)勢：由于OCS可以在幾毫秒內(nèi)切換電路，因此TPUv4可以輕松地更改拓?fù)?，以匹配?yīng)用程序、節(jié)點(diǎn)數(shù)量和運(yùn)行這些作業(yè)的系統(tǒng)。TPUv4為大多數(shù)切片大小提供了3D圓環(huán)的環(huán)繞鏈路，與網(wǎng)狀替代方案相比，這使重要的結(jié)合通信操作（例如，all-to-all）的平分帶寬和帶寬加倍。（5）可重構(gòu)OCS拓?fù)涮岣呔W(wǎng)絡(luò)性能：用戶可以更改TPUv4拓?fù)湟云ヅ渌褂玫牟⑿卸阮愋?，AI訓(xùn)練經(jīng)常將并行類型組合起來以獲得最佳性能，例如數(shù)據(jù)加模型并行。模型并行度通常有兩個(gè)參數(shù)：寬度和長度。為了充分利用可用的帶寬，用戶沿三維環(huán)面的一個(gè)維度映射數(shù)據(jù)并行性，并在另一個(gè)維度上映射兩個(gè)模型并行參數(shù)。谷歌歷代TPU集群集成的芯片數(shù)量引入光交換機(jī)也存在一些缺點(diǎn)：1）盡管全生命周期成本下降，但前期資本開支較大；2）信號插入損耗：光要多次反射折射才能到達(dá)接收端，存在信號功率損失；3）重新配置時(shí)間：光交換機(jī)的光路是提前設(shè)置好的，如果要與不同的端口通信，光開關(guān)必須重新配置這些鏡像。三、光交換機(jī)出貨量谷歌證明了在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署

OCS

的可行性和優(yōu)勢。通過在基于

MEMS

的交換、定制收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的創(chuàng)新，谷歌提供了靈活、低功耗和高性價(jià)比的連接解決方案。隨著數(shù)據(jù)中心帶寬需求在

ML

和云計(jì)算的推動(dòng)下不斷增長，OCS

技術(shù)將在擴(kuò)展和優(yōu)化這些網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮越來越重要的作用。近幾年，光交換機(jī)需求增長，2023年全球光交換機(jī)出貨量達(dá)1萬臺(tái)，2024年出貨量約1.3萬臺(tái)。2023-2024年全球光交換機(jī)出貨量目前國內(nèi)廠商除頭部已有較少產(chǎn)品進(jìn)入試商用式少批量試用階段，行業(yè)整體處于起步階段。2024年9月，華為重磅發(fā)布數(shù)據(jù)中心全光交換機(jī)HuaweiOptiXtransDC808，預(yù)計(jì)將于2025年正式商用。以400G端口為例，相比傳統(tǒng)交換機(jī)功耗降低98%，整網(wǎng)能耗降低20%。同時(shí)發(fā)布業(yè)界首個(gè)端到端fgOTN（細(xì)顆粒光傳送網(wǎng)）光傳送產(chǎn)品組合HuaweiOptiXtransE6600/E9600。此外，還有紫光股份旗下新華三集團(tuán)已發(fā)布“全光網(wǎng)絡(luò)3.0解決方案”；中興通訊擁有ZTEiCampus行業(yè)數(shù)智全光方案。華為PEN無源以太全光方案架構(gòu)圖四、光交換機(jī)研發(fā)方向光交換機(jī)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，但仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展瓶頸。未來隨著企業(yè)不斷加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，光交換機(jī)性能將進(jìn)一步提升，制造和部署成本有望下降，為大規(guī)模應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)隨著HPC和數(shù)據(jù)中心規(guī)模日益增長，對功耗、時(shí)延、可靠性等要求越來越高，光交換機(jī)技術(shù)將在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮越來越重要的作用，為數(shù)據(jù)中心的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施保障。光交換機(jī)研發(fā)方向以上數(shù)據(jù)及信息可參考智研咨詢（