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“泽字节”时代投资报告系列一:硅光:“超越摩尔”新路径,厚积薄发大未来

信息技术2022-01-14宋辉、柳珏廷华西证券无人街角
“泽字节”时代投资报告系列一:硅光:“超越摩尔”新路径,厚积薄发大未来

华西通信团队硅光:“超越摩尔”新路径,厚积薄发大未来2022年1月14日请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明证券研究报告|行业深度研究报告“泽字节”时代投资报告系列一分析师:宋辉SACNO:S1120519080003邮箱:songhui@hx168.com.cn分析师:柳珏廷SACNO:S1120119060016邮箱:liujt@hx168.com.cn 硅光行业框架2流量爆发:网络流量每9-12 个月翻一番,光通信设备每2-3 年升级一次高阶调制模式无法匹配信噪比,DSP成本高度提升III-V族半导体激光调制间距受限,单通道50Gbps成为传输速率瓶颈高度集成、小型化、高速率是光器件行业发展趋势产业分工细化:硅光子产业将遵循着微电子产业链发展的轨迹,产业链逐渐分化,Fabless商业基础将会初步形成硅光子光连接:硅光模块及硅光引擎光传感:自动驾驶Lidar&消费级医疗可穿戴市场光计算:硅光子为核心的新型芯片算力系统科技巨头加大投入:Intel、Cisco等领军企业的持续大力投入之下,硅光产业链不断完善,技术标准相继形成产业整合:硅光子是确定性技术发展趋势,海外外厂商瞄准硅光未来赛道,并购整合频发传统技术提升带宽模式逼近极限需求刺激,研发等投入加大硅光子产业链快速进化当前发展最成熟基于硅光的激光雷达、可穿戴设备、AI光子计算等领域会相继爆发产业标准:硅光子技术具体技术路线收敛确认中,产业重点投入方向逐渐清晰,投资风险降低 投资逻辑总结3➢流量爆发:全球数据中心流量从2016年的6.8 ZB增长到2021年的20.6ZB,网络流量每9-12 个月翻一番,光通信设备每2-3 年升级一次,“泽”字节时代流量增长依旧是ICT行业最原始驱动力。➢传统技术面对大数据纷纷失效,硅光子技术:10nm后硅基CMOS摩尔定律失效,传统集成电路、器件提升带宽模式逼近极限;硅光有机结合了成熟微电子和光电子技术,既减小了芯片尺寸,降低成本、功耗、又提高了可靠性,成为“超越摩尔”的新技术路径。➢硅光子是确定性技术发展趋势,海内外巨头公司瞄准硅光赛道收并购频发,科技巨头公司高度重视硅光技术。➢硅光子具体技术路线在收敛确认中(EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP),产业重点投入方向逐渐清晰,当前投资风险相较过去大幅降低。➢当期硅光发展不成熟的关键因素在于,硅光子产业链没有像微电子产业一样完全形成Foundry厂与硅光设计公司分开的产业格局,Fabless厂商要同时考虑工艺问题,无法专注设计,产业重复投入巨大。➢目前,硅光子商业化较为成熟的领域主要在于数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等光连接领域,800G及以后硅光模块性价比较为突出,产业链进展看,海外巨头Intel、思科等通过自研或收购发展较为领先;国内上市公司光迅科技、新易盛、天孚通信、中际旭创、博创科技等从分立光模块市场纷纷切入硅光领域,但是传统光模块制造过程中封装工序较为复杂,BOM及人工成本需要投入较多,另外未来采用硅光的光电共封装(CPO)技术预计将会成为主流模式,传统光模块生产制造企业将会收到较大的技术挑战,需要持续跟踪国内光模块厂商硅光产品研发、客户验证等进展情况。➢国内硅光光模块领域重点关注相关初创公司:熹联光芯、奇芯光电、赛勒科技、SiFotonics等。➢未来,我们判断硅光子产业将遵循着微电子产业链发展的轨迹,产业链逐渐分化,Fabless商业基础将会初步形成,后续基于硅光的激光雷达、可穿戴设备、AI光子计算等领域会相继爆发,受益公司,包括国内初创公司曦智科技(AI光子芯片)、微源光子(硅光Lidar 、可穿戴)、国科光芯(硅光Lidar)。 后摩尔时代,硅光技术“曙光初现”01 后摩尔时代,硅光技术成为降低IO功耗、提升带宽的必要措施10nm14nm-10nm 时间超过2年硅基电子到光子硅基摩尔定律失效➢随着信号速率每隔3~4年提升一倍,电信号能够传输的距离在逐渐减小。➢基于成本上的考虑人们还在尽量延续电信号传输的寿命,但由于芯片封装和工艺制程能力不可能无限提升,IO速率不断提升导致的功耗增加最终会触碰到芯片封装的功率墙。因此,硅光技术成为降低IO功耗、提升带宽的必要措施。图1 电子IO性能受传输距离限制电子IO理论极限电子IO实际极限<1cm1m100m>10km传输距离链路性能图3 硅基光电子集成芯片概念图图2 10nm之后硅基CMOS遇到物理极限III-V、SiGe和Ge等高迁移非硅材料,将会成为产业追寻的新方向。资料来源:Intel,半导体行业观察,讯石,华西证券研究所整理5 科技巨头高度重视硅光技术•。➢同样在2021年12月,Intel研究院宣布成立集成光电研究中心。该中心的使命是加速光互连输入/输出(I/O)技术在性能扩展和集成方面的创新,专注于光电子技术和器件、CMOS电路和链路架构,以及封装集成和光纤耦合。➢其中,硅上异质集成量子点激光器、由高迁移率透明导电氧化物驱动的0.5V 硅微型环调制器、硅光子的晶圆级光学封装等成为其重点技术突破方向图4 阿里达摩院2022年十大科技趋势预判➢2021年12月,阿里巴巴达摩院发布2022十大科技趋势,分别是:AI for Science、大小模型协同进化、硅光芯片、绿色能源AI、柔性感知机器人、高精度医疗导航、全域隐私计算、星地计算、云网端融合、XR互联网。➢其中硅光芯片做外范式重置的关键技术,显示硅光对于行业颠覆式影响。图5 Intel宣布成立集成光电研究中心资料来源:达摩院,Intel,华西证券研究所整理6 海外硅光领域并购整合频发,瞄准未来赛道和核心科技公司地区工艺平台(代工厂)or主要产品集成方式收购情况思科美国CMOS (GF) EIC, PIC 并购Lightwire(2012 $271M) /Luxtera(2018$660M)/Acacia(2019 $2600M)Juniper 美国CMOS EIC, PIC 并购Aurrion(2016 $165M)Nokia 欧洲CMOS EIC, PIC 并购Elenion(2020 ~$160M)Intel 美国CMOS (Int.) EIC, PICInphi 美国BiCMOS (Int., TJ) EIC, PIC 2次以上试图收购硅光相关公司华为中国CMOS EIC, PIC 并购Caliopa(2013 ~$5M)Ansys美国Photonics simulation收购Lumerical Synopsys美国Lay out收购Phoenix➢硅光子是确定性技术发展趋势,海外硅光并购整合频发,瞄准未来赛道和核心科技:目前硅光领域并购集中在通信领域,硅光transceiver公司大都被通信设备商收购,例如思科, Huawei, Nokia等,另外上游设计工具软件也是并购重点方向。➢收并购情况看,硅光子具体技术路线在收敛确认中(EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP),产业重点投入方向逐渐清晰,投资风险降低。表1硅光领域并购情况资料来源:华西证券研究所整理7 什么是硅光?02 硅光原理:硅光子学的低成本、高速的光通信技术9资料来源:易飞扬,Intel,华西证券研究所整理图6 分立元件光模块与硅光单片集成芯片对比:光模块元器件数量大幅减少TOSA:将电信号转换成光信号ROSA:将光信号转换成电信号TOSAROSATO-CAN硅光激光器调制驱动器&光波导硅光探测器光纤耦合器TIA放大器光纤耦合器激光接收单元激发射单元VS➢硅光技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备,该技术结合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。➢硅光技术将原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到至一个独立微芯片中,实现高集成度、低成本、高速光传输。➢相比较传统的分立器件光模块,硅光子器件集成度更高(不再需要ROSA和TOSA封装)更加适应未来高速流量传输处理需要。与此同时,更紧密的集成方式降低了光模块的封装和制造成本。 ➢硅光子核心器件主要包括以硅半导体材料的光有源及无源器件,包括硅基激光器(负责将电信号转化成光信号)、硅基光探测器(负责将光信号转化成电信号)、硅基光调制器(负责将光信号带宽提升)、平面波导(负责光信号在硅基材料上传输)、光栅耦合器(负责与对外连接的光纤对准降低插损)等。1)光源2)光波导3)光调制4)光子探测5)低成本集成6)智能化硅光核心元器件:光源、光波导、调制器、探测器图7 硅光核心、元器件构成资料来源:Intel,华西证券研究所整理硅光模块硅光器件硅光芯片硅光模块(芯片与器件的集成)有源器件激光器光开关调制器探测器无源器件光波导&耦合器复用&解复用器谐振腔&滤波器非线性器件光发送集成芯片光接收集成芯片相同功能器件阵列化集成芯片10 硅光优势:小尺寸、低功耗、低成本小尺寸低功耗低成本传统分离器件方案硅光集成芯片方案核心优势➢硅光集成将核心部件和配件集成在一个晶片上,器件数量显著缩小,密集度有所提升;➢硅光有机结合了成熟微电子技术和宽带光电子技术,硅光方案既降低了硅光模块、芯片等成本,又提高了可靠性。图8 硅光优势小尺寸、低功耗、低成本资料来源:凌云光,华西证券研究所整理11 硅光集成:混合集成是当下,单片集成是未来➢根据集成的元器件是否采用同种材料,光子集成(Photonic Integrated Circuit, PIC)可以分为混合集成和单片集成。➢硅光器件的演进趋势分为四个阶段:分组硅化、硅光子集成、全光电融合和可编程硅片。①分组硅光:硅基器件逐步取代分立元器件;②硅光子集成(当前技术阶段):集成技术从耦合集成向单片集成演进,简化工艺流程提升效率;③全光电融合:光电一体技术融合,光电全集成化,单芯片光电处理,最低延时,最佳体验;④可编程芯片:器件分解为多个硅单元排列组合,局针化表征类;FPGA的可编程硅片,全功能可自定义。➢当前的硅光器件依然处于演进的初级阶段,集成技术从耦合集成向单片集成演进,简化工艺流程提升效率的第二阶段。光子集成混合集成激光器、调制器等采用不同衬底材料单片集成激光器、调制器等采用相同衬底材料激光器阵列探测器阵列调制器阵列耦合器阵列波导光栅阵列激光器+调制器激光器+电芯片探测器+电芯片激光器+调制器+合波器+电芯片探测器+分合波+电芯片系统级集成芯片图9 硅光集成方案资料来源:华西证券研究所整理12 混合集成原理➢混合集成是将使用不同材料、不同制作工艺制造出来的元器件组合安装在同一衬底上,比如说基于硅基的集成(平面光波导混合集成,硅光等),基于磷化铟的集成等,典型的混合集成是将有源光器件(激光器,探测器等)集成到具有光路连接或者其他一些无源功能(分合波器等)的基板上(平面光波导,硅光等)。➢它的优势是能够实现无源光波导与有源器件之间较自由的结合。混合集成技术可以将光组件做得很紧凑,顺应光模块小型化趋势,方便使用成熟自动化IC封装工艺,有利于大量生产,是近期数据中心用光模块行之有效技术的方法。➢然而,不同元器件间需要精密的位置调整与固定,加之不同材料在光学、机械和热特性等方面存在差异,都将增加封装的复杂性和成本,并限制集成规模。电芯片光源光调制器复用器光纤分路器光侦测器硅基输出输入光信号电信号资料来源:中兴通讯《硅光子通信产品技术和商业化进程》,华西证券研究所整理图11 硅光混合集成方案、硅光子+InP激光器方案图12 Intel 硅光混合集成方案:调制器+探测器图10 Intel混合集成硅光芯片调制器驱动器硅光子芯片光纤阵列块光纤耦合器TIAPD光纤耦合器电芯片电芯片13 单片集成原理➢单片集成是经过相同制作工艺,将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术,实现起来有较大技术难度,但具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势,是PIC的发展方向。➢利用硅光集成技术发展高折射率、尺寸和高集成度的高速光模块是当前研究者主要目标。目前,本领域技术人员已经在硅光平台上实现了高速率的硅光调

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