2024年光模块行业专题报告：AI使互联需求跃迁-高速率光模块市场方兴未艾

2024年光模块行业专题报告：AI使互联需求跃迁_高速率光模块市场方兴未艾1、光模块产业趋势：AI驱动800G/1.6T/3.2T数通光模块快速成长AI驱动全球光模块行业快速成长光模块是AI投资中网络端的重要环节，其与训练端GPU出货量强相关，同时推理段流量需求爆发也有望带动需求增长。在算力投资持续背景下，AI成为光模块数通市场的核心增长力。根据Lightcounting和Coherent预测，全球数通光模块市场23年-28年的CARG为18%，其中，AI用数通光模块市场CAGR为47%。增长驱动力主要来自800G、1.6T、3.2T光模块需求。据Coherent数据，到2027年，整个数通市场800G及以上速率的光模块市场规模占比将超过50%。AI促使了更快的互联速率迭代周期AI已明确加快了光模块技术迭代，并且显著缩短了光模块周期，之前从100G过渡到400G用了超过3年，为了实现更高的传输速率以匹配日渐提高的计算速度需求，从800G到1.6T的代际替换有望缩短至不到两年。根据FiberMall数据预测，2021-2025年交换机密度预计大约每2年翻1倍，相对应光模块速率也将同步匹配。互联数的增长速度将快于GPU增长速度Marvell于2024年4月12日举办AIday投资者交流会，其中公司执行副总裁LoiNguyen在演讲中提到，模型规模变大带来的多卡并行，越来越多的交换网络层数使得连接数的上升幅度比GPU的增幅更快。Scailinglaw下，大模型规模越来越大带来交换网络层数提升，光模块配比提升。GPT-3在1K个集群上训练，对应需要2500个光互连；GPT-4在25K个集群上训练，对应需要75000个光互连。未来的10万个超大计算集群，需要50万个光互联（5层架构，GPU与光模块的配比为1:5），随着Scailinglaw的演进，为了实现AGI未来甚至可能会出现1:10光模块配比的网络架构。更多的互联数增长+更高的互联速率奠定了光模块广阔的市场空间更多的GPU驱动更多的端口连接；同时，随着GPU算力愈来愈强，需要更多的带宽来保持它们处理数据，因此，更高算力的GPU需要更高速的端口。这两个因素导致了超大规模数据中心连接需求的指数级增长，这是一个庞大且迅速增长的市场。Marvell公司认为他们在互联业务的潜在市场空间将从23年的34亿美金增长到28年的111亿美金，CAGR为27%。这其中包括数据中心内部互联光互联，CAGR为25%；数据中心内部有源电缆DSP，CAGR为59%；数据中心间互联（DCI），CAGR为25%。剔除掉AEC，潜在市场空间也将从23年的33亿美金增长到28年的101亿美金，CAGR为25%。高速率数通光模块产品路线图根据Coherent对于行业未来的产品路线图预测，50Tb/s交换机时代，单通道100G的800G光模块于23年开始大规模量产（已量产）；单通道200G的800G光模块于24年批量出货；LPO方案于24年H2批量出货。100Tb/s交换机时代，单通道200G的1.6T光模块将于24年年底量产，LPO方案也于24年年底开始量产；单通道200G的3.2T光模块将于26年年初量产，可应用于100Tb/s交换机，也可用于下一代200Tb/s交换机。预计硅光芯片市场规模增速最快Coherent预测，AI用激光器占比将从23年的22%增长至28年的62%。其中，AI用VCSEL激光器市场规模将从23年的2500万美金增长至28年的1.35亿美金，占比从5%提升至11%；AI用EML激光器市场规模将从23年的8100万美金增长至28年的2.47亿美金，占比从14%提升至21%；AI用硅光芯片市场规模将从23年的1900万美金增长至28年的3.46亿美金，占比从3%提升至30%.2、英伟达推出Blackwell系列GPU，提振高速率光模块需求英伟达发布新一代BlackwellGPU，算力大幅提升英伟达于24年3月发布了新一代人工智能芯片BlackwellGPU，新的B200GPU拥有2080亿个晶体管，可提供高达20petaflops的FP4算力，而GB200将两个GPU和一个GraceCPU结合在一起，可为LLM推理工作负载提供30倍的性能，同时还可能大大提高效率，与H100相比，它的成本和能耗最多可降低25倍。英伟达声称，训练一个1.8万亿个参数的模型以前需要8000个HopperGPU和15兆瓦的电力。如今，2000个BlackwellGPU就能完成这项工作，耗电量仅为4兆瓦。在具有1750亿个参数的GPT-3LLM基准测试中，GB200的性能是H100的7倍，而英伟达称其训练速度是H100的4倍。英伟达第五代NVLink和NVL72AI和HPC工作负载的一大限制因素是不同节点之间通信的多节点互连带宽。随着GPU数量的增加，通信成为严重的瓶颈，占用的资源和时间高达60%。通过B200，英伟达推出了第五代NVLink和NVLinkSwitch7.2T。新的NVLink芯片具有1.8TB/s的全对全双向带宽，支持576个GPUNVLink域。在Blackwell这一代采用了224GSerdes，即sub-link的传输速率为200Gbps*4（4对差分线)/8=100GB/s，从网络来看单向带宽为400Gbps。B200总共有18个sublink，因此构成了100GB/s*18=1.8TB/s的带宽，而从网络的视角来看等同于9个单向400Gbps的接口。同理，在NVSwitch的介绍中声明的是Dual200Gb/secSerDes构成一个400Gbps的Port。整个NVL72系统由ComputeTray和SwitchTray构成，一个ComputeTray包含两颗GB200子系统，累计4颗BlackwellGPU。一个SwitchTray则包含两颗NVLINKSwitch芯片，累计提供72*2=144个NVLINKPort，单颗芯片结构如下，可以看到上下各36个Port，带宽为7.2TB/s。每个B200有18个NVLINKPort，9个SwitchTray刚好共计18颗NVLINKSwtich芯片，因此每个B200的Port连接一个NVSwitch芯片，累计整个系统单个NVSwitch有72个Port，故整个机器刚好构成NVL72，把72颗B200芯片全部连接起来。Blackwell系列GPU，提振高速率光模块需求综上，不同英伟达GPU产品以及不同互联方式下，光模块和GPU的比例关系如下表格。即使新一代B200和GB200产品在ConnectX-7网卡规格下，跟上一代光模块用量相同，但未来搭配ConnectX-8的GB200产品将大幅提升对于1.6T光模块的需求，且在B系列GPU的生命周期中，搭配ConnectX-8的NVL72将会是主力产品。此外，随着大模型的不断迭代，未来向通用型人工智能迈进，NVL576这种大规模高速互联的组网方式需求也将不断攀升，从而拉动1.6T光模块需求（GPU与1.6T光模块的比例为1:9）。3、光模块未来路径：CPO、硅光硅光光模块拥有更高的集成度、更低的规模量产成本硅光技术在集成化和低成本具备优势，技术和产业链有待成熟：传统光模块主要采用高速电路硅芯片、光学组件、III-V族半导体芯片等器件封装而成，本质上属于“电互联”。不过随着晶体管加工尺寸的逐渐缩小，电互联将逐渐面临传输瓶颈，硅光技术有望带来新的互联方式。硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI等)，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光技术的核心理念是“以光代电”，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中。以1.6T可插拔光模块举例，传统光模块方案需要8个单通道200G的EML激光器、光电探测器、1个DSP芯片以及不同的部件包括镜头（将激光器聚焦到光纤上）、隔离器、电容器、电阻器等；而在硅光方案中，部件被高速集成化，只需要2个CW激光器、1个硅光芯片和1个DSP芯片。CPO可以缩短交换芯片和光引擎之间的距离CPO（co-packagdoptics）即光电共封装，是一种新型的光电子集成技术，指将网络交换芯片和光模块共同装配在同一个插槽上，形成芯片和模组的共封装。通过将交换芯片和光引擎封装在一起，CPO技术可以缩短交换芯片和光引擎之间的距离，以帮助电信号在芯片和引擎之间更快地传输；不仅能够减少尺寸，提高效率，还可以降低功耗。借助CPO，网络交换机系统中的光接口从交换机外壳前端的可插拔模块转变为与交换机芯片组装在同一封装中的光模块。在传统的光通信系统中，光模块与芯片之间需要通过复杂的连接方式，而CPO技术可以将光模块和芯片封装在同一个封装体中，极大地减小了连接长度和距离，提高了通信效率。理想情况下，CPO可以逐步取代传统的可插拔光模块，将硅光子模块和超大规模CMOS芯片以更紧密的形式封装在一起，从而在成本、功耗和尺寸上都进一步提升数据中心应用中的光互连技术。4、中国光模块产业的崛起我国光模块企业在全球占据主导地位我国光模块企业在全球占据主导地位，2022年，全球光模块市场的前十大厂商中，国产厂商占据了七个席位，中际旭创、华为海思、光迅科技、海信宽带、新易盛、华工正源、索尔思光在全球光模块市场排名靠前。根据Coherent和Lightcounting数据，22年光模块市场总体规模约为130亿美元，Coherent和中际旭创位列前两位，市场份额分别为18.1%和10.6%。22年数通光模块市场总体规模约为59亿美元，Coherent和中际旭创位列前两位，市场份额分别为21.7%和21%。受到AI拉动，中国光模块出口额今年以来高速增长根据海关总署数据，24年3月全国光模块出口金额为35.69亿元，同比+59.3%，环比+28.8%；1-3月累计出口95.16亿元，同比+57.4%。国内光模块前两大龙头（海外市场）中际旭创和新易盛总部分别位于江苏省和四川省，所以观察这两个省份光模块的出口数据可以一定程度表征AI用光模块的景气度：24年3月江苏省光模块出口金额为19.69亿元，同比+111.1%，环比+18.2%；1-3月累计出口55.65亿元，同比+103.8%。24年3月四川省光模块出口金额为4.89亿元，同比+50.5%，环比+43.6%；1-3月累计出口12.33亿元，同比+66.2%。5、投资分析中际旭创：深度受益于AI发展红利的光模块龙头800G/1.6T产品先发优势明显，高端化导向或助力公司24-25开启新成长周期。公司拥有1.6TOSFP系列光模块产品，并在业界率先推出1.6T-DR8OSFP224LPO产品；该系列产品主要采用8x200G的方案，除了传统的EML设计，还采用了硅光为基础的方案。800G方面，公司拥有全面的800GOSFP光模块产品组合，包括4x100Gx2和8x100G两种架构方案，除了传统的EML设计，还采取了以硅光为基础的方案来满足短距离传输需求。公司始终重视技术创新、不断增加研发投入，促进产品持续迭代升级，有10G到1.6T全线条产品，LPO从800G到1.6T都有相应的技术储备和解决方案，力争保持产品在行业内的技术领先。预计公司今年主要是800G光模块的上量，配合以太网交换机的400G光模块也会快速上量；2025年会有以太网客户的产品迭代用到800G的光模块，1.6T预计也会在2025年上量。新易盛：在AI相关高速率光模块市场有望快速提升份额公司自成立以来一直专注于光模块的研发、生产和销售，公司是国内少数批量交付运用于数据中心市场的100G、200G、400G、800G高速光模块、掌握高速率光器件芯片封装和光器件封装的企业，已成功研发出涵盖5G前传、中传、回传的25G、50G、100G、200G系列光模块产品并实现批量交付。公司一向重视行业新技术、新产品的研究，目前已成功推出基于VCSEL/EML、硅光及薄膜铌酸锂方案