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AI系列深度报告(一):模块:AIGC高景气持续,800G+产品需求旺盛

信息技术2024-07-09付强、闫磊、徐勇、徐碧云、郭冠君、黄韦涵平安证券林***
AI系列深度报告(一):模块:AIGC高景气持续,800G+产品需求旺盛

证券研究报告2024年7月9日请务必阅读正文后免责条款电子行业强于大市(维持)半导体行业强于大市(维持)计算机行业强于大市(维持)电子信息团队 投资要点1催化:AIGC刺激,800G+数通光模块开始担当大任。光模块负责光电信号的收发、转换,支撑着网络、计算等设备之间的协作与连接。受益于AIGC带来的海量数据交换和传输需求,高速光模块应用快速扩大,尤其是大模型训练对更快数据传输的需求持续激增,800G光模块因其高带宽、高传输速率、性能优良、高密度和扩展性好而受到广泛关注。高速光模块,从应用场景上看,涵盖了AI数据中心、HPC以及5G网络等多个领域。从趋势上看,随着AI等数据处理密集型的应用持续演进,数通光模块性能提升的速度将加快。在2022年之前,整个光互联网络的升级是以四年为一个周期;在2022年之后,升级周期缩短为两年,光模块800G是当前数通领域的主流,更高速率的产品也崭露头角。单波长传输速率的提升,是光模块传输速率向上的重要路径。市场:1.6T上量,2024年数通光模块将实现高速增长。光模块的市场规模主要受下游资本支出的影响,但其中来自云厂商投入波动的影响最大。2019年行业处在下行周期,主要压力就是来自于云计算厂商的收缩;2022年年底,云厂商又开始了新一轮的开支压缩,计算和网络的投入均谨慎,负面影响一直延宕至2023年初。但之后由于AIGC对高速光模块市场的拉动效应开始显现,2023年行业仍实现增长。Lightcounting预计2024年,800G将成为市场主流,1.6T也将开始放量,整体市场增速有望超过40%,其中数通光模块增长可能最为迅速。预计2025年,行业还将增长20%以上,2026-2027年增速还将维持在两位数以上。从市场竞争格局看,中国厂商竞争力较强,23年前十光模块厂商中占7席。后续即使海外市场出现较大变数,中国仍将是这个市场上的重要力量。趋势:技术演进快速,LPO、CPO及硅光等新技术应用加快。随着高速数通光模块在数据中心应用的增加,光模块的能耗问题也开始受到关注,光模块降低功耗的需求快速上升。目前,业界采取了两条路径:CPO和LPO。LPO通过线性直驱技术替换传统的能耗大户DSP,将其功能集成到交换芯片中,只留下驱动芯片(Driver)和跨阻放大器(TIA)芯片,同时实现了降功耗和延迟的目的,在数据中心等短距离传输领域优势尤为凸显。除了LPO的封装路径之外,随着光模块向800G光模块演进,CPO的成本和技术优势将逐渐凸显。CPO利用激光而非电子信号来传输数据,通过将光学器件和电子元件封装在一起(光器件+交换芯片),CPO实现了光信号和电信号处理的深度融合。这一转变标志着从传统光学模块中的“电互连”向真正的“光互连”的转变。最后,硅光技术也是各家都在关注和投入的方向,该技术将多个光、电芯片集成在同一硅基衬底上,集成度和带宽均高但成本低,国内外厂商均在积极投入。投资建议:光模块是电信、数据通信基础设施建设中不可或缺的组成部分。随着AIGC算力设施建设的快速增长,数据中心的网络架构也出现明显变化,数通光模块尤其是800G+的需求较快增长。国内厂商作为光模块产业链中的重要组成部分,近年来也在这一轮的需求增长、技术演进中快速成长。未来,随着AIGC应用端的丰富,算力基础设施建设将会更上一个台阶,国内光模块产业链会继续受益。上游元器件方面,建议关注激光器芯片厂商源杰科技,平台型元件厂商天孚通信;光模块方面,建议关注中际旭创、新易盛、华工科技、光库科技等。风险提示:AIGC基础设施建设不及预期;技术演进可能不及预期;贸易保护加剧。 目录CO N T E N T S市场:1.6T上量,2024年数通光模块将实现高速增长催化:AIGC刺激,800G+数通光模块开始担当大任趋势:技术演进快速,LPO、CPO及硅光技术应用加快投资建议与风险提示2 AIGC带来了整个数据中心结构的变革,数据中心端口规模和东西向数据流量大幅增加,汇聚和核心层压力巨大,扩容投入急速上升。网络架构从三层传统架构转向两层叶脊架构。其中,Leaf交换机取代接入交换机功能,直接连接服务器;Spine交换机与所有Leaf交换机相连;新的架构下,数据中心可以接入更多的端口,无论是服务器还是交换机,但同时也需要更多的光模块进行数据转换和传输,尤其是400G和800G的光模块在数据中心中得到广泛应用。催化:受益于AIGC带来的数据交换和传输需求,高速光模块得到广泛应用•数据中心从传统的3层架构转向两层扁平架构•400G/800G光模块在数据中心的典型应用资料来源:FS、平安证券研究所 光模块主要用于光电信号的收发和转换,通过它可以实现与各种类型设备的无缝协作和连接,包括交换机、路由器、服务器和存储设备,应用非常广泛。光模块主要由光发射器(TOSA)、光接收器(ROSA)、光源、光电探测器、连接器和外壳(Housing)等组成。光模块的基本原理:发送接口输入一定码率的电信号,经过内部的驱动芯片处理后由驱动半导体激光器(LD)或者发光二极管(LED)发射出相应速率的调制光信号,通过光纤传输后,接收接口再把光信号由光探测二极管转换成电信号,并经过前置放大器后输出相应码率的电信号。光模块:收发和转换光电信号,支撑着网络、计算等设备的协作与连接4•典型的光模块结构资料来源:华为论坛、FS、平安证券研究所•光模块原理图 TOSA(Transmit Optical Sub-Assembly,光发射组件):主要负责将电信号转换为光信号,由光源(发光二极管或激光二极管)、光接口、监控光电二极管、金属或塑料外壳、电接口组成。光源多数采用激光二极管,功耗低、功率大并且耦合效率高。ROSA(Receiver Optical Sub-Assembly,光接收组件):其主要功能是将TOSA传来的光信号转换为电信号。ROSA包含光电二极管(PD)、光接口、金属或塑料外壳以及电接口。核心部件:光电器件是重要组成部分,包含TOSA和ROSA5•典型的TOSA结构•典型的ROSA结构资料来源:FS、平安证券研究所 上游:主要是光电芯片设计和光器件厂商,其中光电芯片国内发展较晚,国产化水平相对较低,目前源杰科技、长光华芯和华为海思等正在积极突破;光器件国产化水平较高。下游:直接客户是光通信设备厂商和服务器厂商,如华为、中兴、烽火通信、浪潮信息、联想等,最终客户是运营商、云计算厂商以及企业网客户。产业链:上游主要是光芯片和器件,下游面向光通信设备及服务器厂商6•光模块产业链•光模块垂直整合流程资料来源:Coherent官网、平安证券研究所 产品分类:按封装方式、光口速率、传输距离、调制格式、是否支持波分复用、适用的光纤类型、光接口工作模式、光芯片类型、连接器接头类型、使用方式、工作温度范围等。其中,封装方式、接口速率是最主要或者常见的分类标准。应用分类:以太网、光纤传输、光互联、波分复用、无线前传和回传、有线接入。前三类主要用于数通网络,无线前传和回传、有线接入主要是电信网络场景。分类:封装方式和接口速率是最主要的标准,且持续在演进7•光模块分类•光模块封装方式演变资料来源:eet-china、sunshinepcb、平安证券研究所 光模块的封装主要是光模块的外形结构,保证了通信的稳定性和可靠性。随着封装技术的进步,封装体积正逐渐变小,在速率、功耗、距离、成本等方面也在不断地向前发展和改善。光模块封装类型有很多,像1*9、SFF、GBIC、X2、XENPAK、XFP等封装目前已经不常见,常见的是SFP(小型化可热插拔)系列和QSFP(四通道小型可热插拔)系列。分类|按封装:SFP和QSFP是主流,800G主要使用QSFP进行封装8•光模块封装技术演进•光模块典型封装外形(SFP)数据来源:FS、平安证券研究所 随着对更快数据传输的需求的激增,800G光模块因其高带宽、高传输速率、高密度和未来扩展好而受到广泛关注。应用场景涵盖了AI数据中心、HPC以及5G网络等方面。从技术准备来讲,2020-2022年间各主要厂商已经推出了800G产品,并持续向小型化、热插拔的方向迈进。从封装模式上看,主要采取的是QSFP-DD和OSFP封装模式;基于单通道速率,800G光模块大致可分为单通道100G和200G两类。分类|按速率:适应当前AIGC高速传输需要,800G逐步开始担数通大任9•光模块传输速率演进•中际旭创800G产品样图中际旭创800G QSFP-DD光模块中际旭创800G OSFP光模块资料来源:FS、中际旭创官网、平安证券研究所 发展趋势:光互联提速节奏加快,光模块升级时间间隔持续缩短10•光模块传输速度演进•光互联演进节奏提速从趋势上看,随着AI等数据处理密集型的应用持续演进,数通光模块性能提升的速度将加快。在2022年之前,整个光互联网络的升级是以四年为一个阶段;在2022年之后,升级周期缩短为两年,光模块800G是当前数通领域的主流,1.6T也开始崭露头角。从主要路径上看,主要依托单波长传输速率的提升。资料来源:FS、C114、平安证券研究所 波特率:提升单位时间内从源到目的地之间传送的码元符号(Symbol)的个数,主要依托光芯片和器件的能力提升;通道数及容量:通过使用并行通道或增加线缆中的光纤数量可以实现更高的数据速率。通道容量的扩展进一步增强了光模块的整体数据传输能力。调制技术:目前,高速光模块采用PAM4调制,这种技术可以增强网络性能并促进更高的数据速率。与低速光模块中使用的传统NRZ调制相比,PAM4可以使每个信号传输两倍的数据。关键技术:速率提升,依托波特率、通道数及容量、调制技术等升级11•光模块能力提升路径资料来源:FS、平安证券研究所•NRZ和PAM4调制技术对比 增加通道数不需要增加带宽或者调制复杂度,技术原理相对简单,主要就是考虑如何放置更多的光器件,如何在有限的空间内进行多路光通道接口,同时兼顾电通道连接、密度、功耗等。但是,由于光模块整体空间有限,封装通道数量不具备持续提升的潜力。目前看,实现16通道的封装难度都较大。技术演进:改进封装技术,提升通道数量12•光模块封装技术演进方向资料来源:华为论坛、平安证券研究所 要提高单通道速率,提高光电器件的模拟带宽,需要更强大的DSP信号处理能力、更强大的FEC(前向纠错)、更高的光集成度。以1.6T为例,I/O、跨阻放大器(TIA)、激光+模组带宽大于55GHz,探测器带宽要超过50GHz;信号处理方面,1.6T光模块开始应用相干调制,同时需要更强的信号纠错能力。光电芯片中,DSP芯片是电芯片的核心,负责调制解调、电信号的预处理等,其处理能力的提升潜力较大。技术演进:提升单通道传输速率,增强器件能力的路径更具潜力13•提升单通道传输速率的路径400G / 800G> 28 GHz30GHz30GHz30GHzPAM4KP4 bypass1.6T> 55 GHz> 55 GHz> 50 GHz> 55 GHz相干、PAM4stronger than FEC3.2T> 60 GHz80-90 GHz> 50 GHz> 80 GHz相干、PAM4/6stronger than FEC•不同速率光模块对器件和型号处理的要求资料来源:华为论坛、平安证券研究所 目录CO N T E N T S市场:1.6T上量,2024年数通光模块将实现高速增长催化:AIGC刺激,800G+数通光模块开始担当大任趋势:技术演进快速,LPO、CPO及硅光应用加快投资建议与风险提示14 光模块的市场规模主要受到电信和云厂商(CSP)资本支出的影响,但其中来自CSP方面的投入波动影响最大。其中2019年的下行周期,就主要是来自于云计算厂商的收缩;而在2022年年底,云厂商又开始了新一轮的压缩开支,计算和网络的投入均谨慎,致使2023年初行业压力都较大。但之后由于AI对高速光模块市场的拉动,2023年行业全年仍实现增长。Lightcounting数据显示,预计