硅光%26LPO-光摩尔定律的延续

目录路径展望：如何延续“光摩尔定律”？ 7AI驱带爆，本功耗在睫 8带宽级在速新案紧性升 9硅光子技术：光学封装技术的未来？ 10硅光块可拔块案的续 16CPO：一封方机遇挑并存 18OpticalI/O：未光的蓝市场 21硅光方案下，有哪些受益环节？ 24硅光案无器影几何？ 24CW新场间开 26LPO：高性价比降功方案，硅光的有力对手？ 27投资建议 29风险提示 30图表目录图1：Intel预计交换机带宽2年翻倍，而光电I/O带宽每3-4年翻倍 7图2：光模块（40G→100G→400G）平均每4年左右演进一代，每bit成本下降一半 7图3：光模块平均每演进一代每bit功耗大约下降一半 7图4：网络设备功耗占比随带宽增加显著上升 8图5：交换机系统中光模块功耗增长最快 8图6：交换机和光模块的[美金/Gb]都在下降，但光模块下降较慢 9图7：光模块的标准化ASP（美金/Gb）持续下降 9图8：英伟达AI架构升级路线图 10图9：硅光子技术发展经历的几个阶段 图10：TOCAN、DML等传统分立方案和Hybrid、SiChip两种硅光的成本对比 图光模块光引擎代际升级趋势推演 12图12：基于标准CMOS工艺的硅光子工艺流程开发需要大量修改 13图13：将激光器连接到硅PIC的技术种类繁多 13图14：硅光的激光集成方式一览 14图15：Intel的硅光芯片采用了混合集成的多材料体系 14图16：Intel硅基异质集成工艺 14图17：Intel的激光器的混合集成工艺 15图18：解决硅光芯片三五族和硅耦合损耗的方案 15图19：某头部光模块厂商硅光模块，采用外置光源方案 15图20：Intel硅光方案采用片上硅基光源 15图21：2023年硅光产业链与应用场景图 16图22：硅光模块方案较传统模块方案物料上有30%的节省 16图23：带DSP的硅光模块方案较EML+DSP方案功耗节省约10-20% 16图24：Intel的100GQSFP28CWDM4硅光模块结构图 17图25：Intel硅光模块产品商业化情况 17图26：2022年硅光电信市场厂商份额 17图27：2022年硅光数通市场厂商份额 17图28：光模块演进路线展望 18图29：CPO和OBO方案下，光引擎将代替光模块成为光电转化主体 18图30：激光芯片集成高速光引擎 19图31：硅光芯片集成高速光引擎 19图32：CPO方案的单位能耗的降低非常显著 19图33：100G/200G单波在传统方案、LPO方案和CPO方案下的功耗对比 19图34：传统热插拔光模块，电信号的连接距离很长，节点很多 20图35：CPO方案相较热插拔功耗改善显著 20图36：CPO方案较传统可插拔光互联极大地简化了电通道 20图37：随着光模块带宽提升，传统方案的电信号劣化将越来越严重 20图38：CPO方案的SWOT分析 21图39：目前用于高性能计算与AI芯片封装技术平台 21图40：新一代用于高性能计算与AI芯片封装技术平台 21图41：硅光子是CPO的最佳选择 22图42：借助先进3D封装技术，单颗芯片可以扩展至1万亿个晶体管 22图43：Intel规划的硅光子应用的规划：从可插拔模块→CPO→OpticalI/O 22图44：OpitcalI/O解决计算芯片CPU,GPU,XPU等之间的互联问题 23图45：对比可插拔和CPO，OpticalI/O带宽密度很高，能效优势明显 23图46：光学I/O在带宽、连接距离、密度、能耗效率、延时上都显著优于电I/O 23图47：AyarLabs在OFC2023上展示了可以实现双向4.096Tbps的数据传输 24图48：某头部光模块厂商硅光FR4模块结构图 25图49：miniOSA结构 25图50：miniOSA和耦合组件的对接 25图51：耦合组件结构 25图52：在硅光芯片上刻蚀V型槽对准硅波导的SSC转换 26图53：硅光耦合过程（硅波导→光纤） 26图54：硅光方案下用到的准直微透镜及阵列 26图55：硅光方案下用的光纤阵列和多芯连接器 26图56：光模块传统方案和LPO方案对比 27图57：DSP的各种补偿和估算 27图58：DSP在光模块中的功耗占比最大（400G光模块） 28图59：可插拔方案下，不同技术路线能耗对比，LPO最优 28图60：LPO连接可靠性问题或称为其商用的核心障碍 28图61：Marvell对DSP方案和线性直驱方案的对比分析 28表1：PCIe和交换机端口速率迭代对比（预估） 9表2：400G→800G→1.6T数通光模块市场主流方案推测 12表3：CW光源市场空间测算 27路径展望：如何延续“光摩尔定律”？对成本和功耗效率的追求是驱动模块迭代核心因素2I/O3-4是数据中心内部光互联的核心痛点，光模块平均每4年左右演进一代，每bitbt00Gbit1美金/Gbit0.03W/G。但是随着当下可图1：Intel预计交换机带宽2年翻倍，而光电I/O带宽每3-4年翻倍资料来源：《HighVolumeSiliconPhotonicsforOpticalIOandotherNextGenerationApplications》，图2（40G→100G→400G）4bit成本下降一半

图3：光模块平均每演进一代每bit功耗大约下降一半资料来源：c114网，《硅光集成与数据中心应用线上研讨会》， 资料来源：c114网，《硅光集成与数据中心应用线上研讨会》，AI驱动带宽爆发，降本降功耗迫在眉睫AI应用场景对网络设备功耗提出了更高的要求而在交换度敏感性高2ICT设备的低功耗，而光模块方案的改进可以做出贡献，因此客户愿意支付额外费用来达到这一目标。图4：网络备功占比带宽加显著升 图5：交换系统光模功耗长最快资料来源：Marvell， 资料来源：Cisco，对于光模块环节来说，目前降功耗的思路主要体现在在几个方面：1）缩减高能耗的电DSP/CDR/光引擎和交换ASIC芯片的距离，如NPO/CPO/IPO等方案。表1：多种光模块/光引擎方案能耗情况对比类型带宽密度能耗简介DPO~18pj/bit传统DSP热插拔模块LPO~0.1-0.2Tbps/mm~8pj/bit无DSP，线性直驱热插拔模块热插拔LRO~11pj/bitTx有DSP，接收线性热插拔模块NPO~0.5-1Tbps/mm~5-6pj/bitNear-Package，近封装CPO~1-2Tbps/mm~3-4pj/bitCo-Packaged，共封装非-热插拔IPO~2-4Tbps/mm~2-3pj/bitIn-Package，内封装资料来源：光通信女人，另一个关键的痛点成本效率也在受到考验AI超算中心，可以看到网络设备（尤其是光模块）的Capex占比是持续提升的。从Lightcounting的历史预测数据可以看到，尽管主流光模块型号的单价随着升级不断提/Gb产品放量产品迭代10G→40G→100G→400G年/2014年/2017年的降幅较大，对应10G/40G/100G产品；3）技术方案的变化，例如2018年光模块的大幅降价主要受到来自硅光方案的冲击。图6：交换和光块的[美金/Gb]都在下，但模块降较慢 图7：光模的标化ASP（美/Gb）续下降资料来源：LightCounting,Dell‘oro,RockleyPhotonics， 资料来源：Lightcounting，lightwaveonline，带宽升级正在加速，新方案紧迫性提升CPU规格（3-5年一代HPCPCIe4.0200G/400GPCIe5.0800G/1.6T演进的基础。表2：PCIe和交换机端口速率迭代对比（预估）PCIe代际PCIe1.0PCIe2.0PCIe3.0PCIe4.0PCIe5.0PCIe规范制定时点20032007201020172019PCIe规模应用时点---20192023E光模块速率10G40G100G200G/400G800G光模块标准制定时点2001-200520102010-20152016-20182020光模块规模应用时点20062012201620192022E资料来源：是德科技，第三届硅光产业论坛，GPU（3-5年一代→2-3年一代。复盘从V100→A100→H100AI算力驱动的GPU2-3年，CPU（3-5年AIscalinglaw”驱动的算力和带宽的井喷。B1002425年看到商用，通信性CX-7CX-8网卡（800b800G1.6T升级。图8：英伟达AI架构升级路线图资料来源：英伟达官网，硅光子技术：光学封装技术的未来？细数硅光子技术发展经历的几个阶段：硅基光子集成电路（PIC）1985年推问世，19911992年在厚绝缘体上硅（SOI）工艺中实现了低损耗波导。（SSI）时代PIC110pn结调制器和光电探测器III-VPIC中等规模集成（MSI）时代，Mach-Zehnder调制器（MZM）成功用在数据中心内IMDD收发器中——PIC10500IMDDPIC技术的多路复用和能效优势。硅光子/LiNbO3III-V族电子媲美。在这一时代，硅光子在通信领域迎来商业成功和产业化发展。（LS的时代500100用生物传感器。甚至超大规模集成电路（>10000个元件）图9：硅光子技术发展经历的几个阶段资料来源：SudipShekhar,WimBogaerts,LukasChrostowski,JohnE.Bowers,MichaelHochberg,RichardSoref&BhavinJ.Shastri：《SiliconPhotonics--RoadmappingtheNextGeneration》，硅光子集成技术：成本效率提升先锋+解决带宽升级瓶颈的首选过去产业讨论硅光子技术主要强调其在成本效率上的出色表现，即通过把大量的光器件集成到单个硅光芯片上来大幅降低光模块的尺寸、简化光模块的设计和生产。在论文《TheFutureofSiliconPhotonics:NotSoFast?InsightsFrom100GEthernetLANTransceiversTOCAN、DMLHybrid、SiChip两300DMLHybridSiChip17173美金、55美金、54图10：TOCAN、DML等传统分立方案和Hybrid、SiTwoChip两种硅光的成本对比资料来源：EricaR.H.Fuchs,RandolphE.Kirchain,ShanLiu：《TheFutureofSiliconPhotonics:NotSoFast?InsightsFrom100GEthernetLANTransceivers》，带宽提升至1.6T=单通道带宽×通道结合经济性、可靠性等因素，单通道带宽的天花板或在200Gbps（业内对于单通道400Gbps可行性没有定论81.6T以上光模块方案选择，硅光方案的必要性有非常明显的提升。表3：400G→800G→1.6T数通光模块市场主流方案推测场景400G800G1.6T场景400G800G1.6T（推测）100m 4×100GSR8（VCSEL） 8×100GSR8（VCSEL） 8×200G硅光/CPO4×00G（EM4×100GDR4（硅光）

8×00G（EM、8×100GDR8（硅光） 8×200GDR8500m-2km

4×100GF4（EL2×200GCWDM4

2×400GFR4（EL4×200GFR4（EML）8×100GLR8（EML）

（EML）10km 4×100GLR4（EML） 800G相干

1.6T相干资料来源：图11：光模块/光引擎代际升级趋势推演硅光/CPO升级路径硅光/CPO升级路径EML/VCSEL可插拔升级路径资料来源：光通信女人，而过去硅光方案商用推进的核心瓶颈包括：硅光插损较大，目前仅在短距传输中能保持足够的可靠性。硅光芯片有两个插损比2dB1dB50dB234-5dB采用补偿了损耗大的问题，目前硅光方案也被定位用于中短距（DR及以内）传输。硅光无法直接复用成熟的CMOS工艺2080但随着台积电等大厂下场，硅光的制造工艺（PDK）快速成熟，硅光流片的难题有望得到解决良率提升困难，方案进展慢于传统分立方案：Intel2020400G异质集成（片上光源）的硅光产品之后，一直没能量产，硅光模块方案迭代过慢，难以挑战传统方案的地位。但是随着外置光源的方案逐步得到认可，硅光方案的迭代迎来加速。图12：基于标准CMOS工艺的硅光子工艺流程开发需要大量修改资料来源：《硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战》，硅光PIC技术的壁垒高，方案多样化将激光器连接到硅PIC的技术种类繁多PIC（CW波传统技术是用激光器和隔离器将PIC（下图的DFB2.5D（b2.5D（c2.5D混合3D（倒装芯片或微转印有望以使用PIC为代价进一步缩小组件尺寸（下图的，但需要高精度的放置和粘合。图13：将激光器连接到硅PIC的技术种类繁多资料来源：SudipShekhar,WimBogaerts,LukasChrostowski,JohnE.Bowers,MichaelHochberg,RichardSoref&BhavinJ.Shastri：《SiliconPhotonics--RoadmappingtheNextGeneration》，图14：光的光集方式览 资料来源：SudipShekhar,WimBogaerts,LukasChrostowski,JohnE.Bowers,MichaelHochberg,RichardSoref&BhavinJ.Shastri：《SiliconPhotonics--RoadmappingtheNextGeneration》，Intel（即片上硅基光源器是硅和InPInP宽度~2m.5m2012IntelIntelInP光差压缩，直接降低耦合损耗，避免光栅同时兼顾谐振与抗谐振的频段设计。图15：Intel的硅芯片用了合集成多材体系 图16：Intel硅基质集工艺 资料来源：光通信女人， 资料来源：光通信女人，图17：Intel的激器的合集工艺 图18：决硅芯片五族耦合损的方案资料来源：光通信女人， 资料来源：光通信女人，外置光源方案vsIntel23Jabil块厂商涉足硅光领域大多采用外置光源方案，有望先发制人实现规模交付。图19：头部模块商硅块，采用外置源方案 图20：Intel硅光案采片上基光源资料来源：光通信女人， 资料来源：《HighVolumeSiliconPhotonicsforOpticalIOandotherNextGenerationApplications》，Intel官网，此前Yole发布了2023年硅光产业链与应用场景图PIC设计IntelBroadcomCoherentMarvellCiscoNvidiaJuniper、NokiaLumentumAyarLabs、SiFotonics、Openlight、DustPhotonics、Rockley、AIOCore、SicoyaPOET等。SOI硅片供应商SOITECShinEtsuIntelliepiSOITECSOI70%SOI硅片供应商。IIIV外延片供应商III-VLandar、IQE、VPEC等。这一分支没有出现国内厂商。硅光流片厂fab和偏学术研究的fab,fab包括TSMC、GlobalFoundriesIntelIMECAMFSilteraLetiSTVTTfabAIMphotonicsPETRAIMECornerstonefab列举了重庆联合微电子(CUMEC)和中科院微电子所(IMECAS)。此外Broadcom、Coherent、Cisco和Lumentum图21：2023年硅光业链应场景图 资料来源：Yole，硅光模块：可插拔模块方案的延续先讲结论，硅光模块方案想较于传统方案在成本和功耗上均有优势：1）从成本上看，硅光模块方案较传统模块方案物料上有的节省DSPEML+DSP方案功耗节省约10-20%。图22：光模方案传统方案物上有30%节省 图23：带DSP硅光块方较EML+DSP案功节约10-20%资料来源：博通公司官网， 资料来源：光通信女人，硅光模块的结构和传统方案有较大的差异：以Intel的100G硅光CWDM4为例，TX是由4个III-V/Si混合集成激光器、4个MZ光调制器及调制器驱动芯片、基于EDG技术的MUX、光纤耦合部分组成。RX由4个Ge/Si探测器、TIA、PLC基DeMUX、光纤耦合部分组成。TX和RX的时钟和数据恢复采用MACOM的4通道25GCDR芯片。TX和RX光纤阵列多余的尾纤，通过盘纤纤进行固定。图24：Intel的100GQSFP28CWDM4硅光模块结构图资料来源：《IntelSiliconPhotonic100GCWDM4QFSP28Transceiver,2020bySystemPlusConsulting》，硅光的市场格局上看，过去主要集中在海外大厂：Intel22100GCWDM4500万只，200G400G硅光产品也已经在批量交800G（AcaciaLumntm和arell（Inphi）硅光数通市场主要被Intel（收购Luxtera）图25：Intel硅光块产商业情况 资料来源：《HighVolumeSiliconPhotonicsforOpticalIOandotherNextGenerationApplications》，Intel官网，图26：2022年硅光信市厂份额 图27：2022年硅光通市厂份额硅光电信市场12亿美元@2022年

硅光数通市场5.1亿美元@2022年英伟达,3%其他,3%Sicoya,5%博通,7%其他3%其他3%18%思科49%Lumentum30%

Intel,61%资料来源：光通信女人， 资料来源：光通信女人，CPO：下一代封装方案，机遇和挑战并存CPO：最高集成度、最小功耗和最低成本的下一代封装方案。CPO借助硅光集成的工艺将光电芯片和交换机芯片封装在同一个基板上面，不再需要射频走线和Redriver/Retimer等器件，为目前业内认为有望实现最高集成度、最小功耗和最低成本的下一代封装方案。而OBO是介于可插拔和CPO之间的一种形态，作为一个相对小众的方案。在CPO和OBO的方案下，光引擎将代替光模块成为光电转化主体。图28：模块进路展望 资料来源：第三届硅光产业论坛，《硅光板上光互联技术及路径》，图29：CPO和OBO方案下，光引擎将代替光模块成为光电转化主体资料来源：光通信女人，关于光引擎产品的形态，在天孚通信的特定对象发行股票并在创业板上市募集说明书（注册稿）上展示了两款光引擎产品：激光芯片集成高速光引擎100G200G400G800G分立式设计的芯片因功耗增加而产生的散热问题，同时满足抗电磁干扰、高集成等要求。硅光芯片集成高速光引擎400G800G损耦合。硅光芯片集成高速光引擎主要运用于数据中心、5G等领域。图30：光芯集成速光擎 图31：光芯集成速光擎资料来源：天孚通信公司公告， 资料来源：天孚通信公司公告，可以看到天孚通信在硅光光引擎代工上做了比较前瞻的布局。从硅光模块方案到CPO方案的核心变化：单位能耗的降低非常显著100GPSM4800GDR810pJ/bit20pJ/bitCPO5-10pJ/bit。图32：CPO案的位能的低非常著 图33：100G/200G波在传案、LPO方和CPO案下耗 对比 资料来源：光通信女人， 资料来源：博通公司官网，CPO降功耗体现在OECPO有两种光源选择，IntelELS激光器，环境温度密度降低，PCE效率提升，等于降低功耗。综合对比来看，CPO比较热插拔模块，1.6T50%。图34：统热拔光块，号的连距离长，点很多 图35：CPO案相热插功改善显著资料来源：光通信女人， 资料来源：光通信女人，化PCBCPO效率CPOBOM有明显节省。图36：CPO案较统可拔互联极地简了电道 图37：着光块带提升统方案电信劣化越来严重资料来源：第三届硅光产业论坛， 资料来源：光通信女人，尽管有诸多优势，CPO方案的短板也比较明显，从产业进程上看成熟度有限：目前CPO方案存在诸多核心瓶颈，例如：1）插损太大导致传输距离无法满足需求；2）可维护性差，器件；3）硅光子芯片过于集中带来的功耗管理问题；4）良率太低等。综合来看，CPO方案距离规模商用还有一定距离。图38：CPO案的SWOT分析 小尺寸电连接尺度低功耗低延时低成本 优势 劣势

目前插损较大可维护性差千瓦级热管理难千根光纤接口管理测试和良率机会机会威胁材料、设计、流片工艺投资热潮供应链成熟度竞合关系资料来源：光通信女人公众号，CPO商用临近，博通开启交付：2431451.2Tbps（CPO）Bailly。OpticalI/O：未来光互联的蓝海市场OpticalI/O场景9等新产品，制程技术从45nm7nm242025年左右达到放量阶段。24218日-22ISSCC2024OpticalI/OCPO，台积电指CPO10003D1图39：前用高性计与AI芯片封技术台 图40：一代于高能计与AI芯片装技平台资料来源：科创板日报， 资料来源：科创板日报，图41：光是CPO的佳选择 图42：助进3D装技单颗芯片可以展至1万个晶管资料来源：科创板日报， 资料来源：科创板日报，图43：Intel规划的硅光子应用的规划：从可插拔模块→CPO→OpticalI/O资料来源：《HighVolumeSiliconPhotonicsforOpticalIOandotherNextGenerationApplications》，Intel官网，什么是pticlI/O与pitclI/OCPOOpticalI/OCPUGPU,XPU等electricalI/OIO的池化技术，OpticalI/Olatency的要求比较高。对比可插拔光模块、CPO与OpticalI/O，OpticalI/O带宽密度很高，能效优势明显：单个CPO模块的带宽为1.6-3.2Tbps,带宽密度为50-200Gbps/mm,能效为15pJ/bit,而OpticalIO的总带宽为40Tbps,带宽密度为5Tbps/mm,能效为3pJ/bit。图44：OpitcalI/O解计算片CPU,GPU,XPU等之间互联题 图45：比可拔和CPO，OpticalI/O带密度高，效优显 资料来源：cadence官网， 资料来源：cadence官网，图46：光学I/O在带宽、连接距离、密度、能耗效率、延时上都显著优于电I/O资料来源：《HighVolumeSiliconPhotonicsforOpticalIOandotherNextGenerationApplications》，Intel官网，目前各大芯片巨头都已经在OpticalIO领域进行布局，包括Intel、AMD、Nvidia等。IntelAyarLabsOFCFPGAOpticalIO实现信号互联的阶段性进展。NividiaAyarLabs展开合作，其内部也有自己的硅光团队在开发相关的技术。AyarLabsOFC2023可以实4.096Tbps1e-15,832Gbps。图47：AyarLabs在OFC2023上展了可以现双向4.096Tbps的数传输 资料来源：hpcwire，根据IPEC和CIOE的联合报告，OIO技术存在一下几点技术难题：构建成熟的产业链：OpticalI/O计算芯片合封到一起，需要与计算芯片联合设计仿真优化，产业链配合要求高。OIO100T+可靠性上，对比可插拔方案，OIO的失效率需要降低一个数量级。硅光方案下，有哪些受益环节？硅光方案对无源器件影响几何？（CPOOptical部分无源器件会被硅光芯片集成掉依旧会存在。某头部光模块厂商FR4miniOSA结45图48：头部模块商光FR4模块构图 图49：miniOSA资料来源：光通信女人， 资料来源：光通信女人，图50：miniOSA耦合件的接 图51：合组结构资料来源：光通信女人， 资料来源：光通信女人，lensarrayMPO/MTP光纤连接器。长期看，硅光的方案下无源器件的价值量可能会提升，1）集成度的提升后光通道数大幅增加1632/64现的。而核心的无源器件像光纤阵列FAU，准直透镜阵列lensarray，高芯数的MPO/MTP光纤连接器的价格都是和通道数正相关的。2）（die耦合进光纤合进光纤容易过度发散，相同通道数下ASP更高。图52：硅光片上蚀V对准硅导的SSC转换 图53：光耦过程硅波光纤） 资料来源：光通信女人， 资料来源：光通信女人，图54：光方下用的准透镜及列 图55：光方下用光纤和多芯接器资料来源：光通信女人， 资料来源：光通信女人，CW光源新市场空间打开CW会较高，主要得益于研发领先，海外厂技术优势不明显。CW光源市场空间测算：量价假设70mw的光源1托2，即400G硅光（4通道）用2个，800G硅光（8通道）4个，100mw14。CW70mw7-8100mw10-15400GDR4或已开启规模商用，得益于更大的用量支撑，800GDR8表4：CW光源市场空间测算2024E2025E2026E2027E400GDR4（万只）437239198148400GDR4硅光渗透率20%30%30%30%4