向光引擎时代的蜕变 光模块行业大变革
引言
随着通信技术飞速发展，对光模块的需求持续增长。光模块行业正处于一个重要的转型期，预计将从传统的光模块行业逐步演进为光引擎行业。
国内光模块企业发展现状
国内光模块企业近年来发展迅速，在全球市场占据了重要的份额。中信建投研报指出，国内光模块企业海外产能布局充分，供应链地位稳固，关税影响无需过度担忧。主要光模块公司在东南亚国家都有布局，且基本实现大批量出货。
光模块在总体资本支出中的占比虽然较低，但其作用愈发重要。国内光模块企业已经占据了重要的产业地位，海外科技客户有足够的驱动力去降低关税带来的供应风险。
CPO技术革新推动行业转型
CPO（Co-Packaged Optics）技术是一种将光模块集成到交换机芯片中的技术，可以显著降低功耗和成本，并突破电信号传输的速率瓶颈。
在CPO时代，光模块行业将向光引擎行业转型。光引擎将集成光模块和交换机芯片，提供更高性能和更低功耗的解决方案。市场规模有望实现大幅增长，同时对光芯片、封装和设备领域带来明显的需求拉动和产业格局重塑。
卫星互联网带来的机遇
卫星互联网板块即将迎来密集催化期，星座组网陆续开始。光模块作为卫星互联网的關鍵组件，产业链有望充分受益。
结语
光模块行业正处于一个重要的转型期，预计将从传统的光模块行业逐步演进为光引擎行业。国内光模块企业在海外产能布局充分，CPO技术的革新和卫星互联网带来的机遇将为行业发展注入新动力。在未来几年，光模块行业有望继续保持快速增长，成为通信技术发展的关键驱动力。
5G时代，光模块在电信市场重回增长
5G建设将带动电信用光模块需求快速增长，未来5G全国覆盖需建设近千万台基站，潜在上亿个高速光模块的需求，预计2021年国内电信用光模块市场规模将达到158亿元人民币。 其中5G产品69亿元，5G用25G光模块为53亿元。 在5G光模块需求方面，分为：前传、中传、回传三个部分。
5G前传：25G/100G光模块
5G网络需要更高的基站/蜂窝站点密度，因此对高速率光模块的需求大大增加。 25G/100G光模块是5G前传网络的首选解决方案。 由于eCPRI（增强型通用公共无线电接口）协议接口（典型速率为25.16Gb/s）用于传输5G基站的基带信号，因此5G前传网络将极大地依赖25G光模块。 运营商正努力准备好基础设施和系统以促进向5G的过渡，巅峰时期 2021 年，国内 5G 所需光模块市场规模有望达到 69 亿元人民币，25G 光模块占比 76.2%。
考虑到5G AAU的完整户外应用环境，在前传网络中使用的25G光模块需要满足-40 C至+85 C的工业级温度范围以及防尘等要求，并且25G灰光和彩光模块将根据用于5G网络的不同前传架构进行部署。
25G灰光模块由于具有丰富的光纤资源，因此更适合于光纤点对点光纤直连。 光纤直连方式虽然简单，成本低，但是无法满足网络保护、监控等管理功能，因此无法给uRLLC 业务提供高可靠性，且消耗光纤资源较多。
25G彩光模块主要安装在无源WDM和有源WDM/OTN网络中，因为它们可以使用一根光纤提供多个AAU至DU连接。 无源WDM方案消耗光纤资源较少，无源设备便于维护，但是依旧无法实现网络监控、保护、管理等功能；有源 WDM/OTN 节省光纤资源，可以实现性能架空、故障检测等OAM 功能，且提供网络保护，该技术天然具有大带宽低时延的特性，缺点是建网成本较高。
100G光模块也被认为是前传网络的首选解决方案之一。 在2019年，已将100G与25G光模块一起设置为标准安装，以与5G商用和服务的快速发展保持一致。 在要求更高速率的前传网络中，可以部署100G PAM4 FR/LR光模块。 100G PAM4 FR/LR光模块可以支持2km（FR）或20km（LR）。
5G中传：50G PAM4光模块
5G中传网络对50Gbit/s光模块有要求，灰光和彩光模块均可采用。 使用LC光口和单模光纤的50G PAM4 QSFP28光模块，它无需安装用于波分复用的滤波器就可以通过单模光纤链路将带宽增加一倍。 通过共享的DCM和BBU站点放大，可以传输40km。 对50G光模块的需求主要来自5G承载网络的建设，如果5G承载网络广泛采用，它的市场则有望达到上千万水平。
5G回传：100G/200G/400G光模块
5G回传网络将需要比4G承载更多的流量，这是因为更高性能和更高带宽的5G NR新无线电。 因此，5G回传网络的汇聚层和核心层对速率100Gb/s、200Gb/s和400Gb/s的DWDM彩光模块有要求。 100G PAM4 DWDM光模块主要部署在接入层和汇聚层，通过共享的T-DCM和光放大器可以支持60km。 核心层传输需要高容量和80km的扩展距离，因此需要100G/200G/400G相干DWDM光模块来支持城域核心DWDM网络。 现在，最紧迫的是5G网络对100G光模块的需求，服务提供商需要200G和400G带宽才能实现5G部署所需的吞吐量。
由于中传和回传场景下，光模块往往应用于散热条件较好的机房内，因此可以采用商业级光模块。 目前80km 以下的传输距离，主要应用25Gb/s NRZ 或 50Gb/s 、100 Gb/s、 200Gb/s 、400Gb/s 的 PAM4 光模块， 80km 以上的长距传输将主要采用相干光模块（单载波 100 Gb/s和400Gb/s）。
综上所述，5G促进了25G/50G/100G/200G/400G光模块市场的增长。 针对5G建设，纳多德推出完备的5G前传和回传光模块系列产品。 纳多德光模块经过一系列的品质检测，可保障每一只光模块到达客户手中都能正常通信。
高速光模块&CPO产业格局梳理
AI算力需求与相关资本开支激增，驱动高速光模块需求显著增长，加速产品技术迭代。 光模块作为AI投资网络端的关键组件，与GPU出货量密切相关，推理端流量爆发亦有望带动需求增长。 英伟达最新产品GB200芯片的批量出货，有望进一步推动800G与1.6T高速光模块需求。 据Coherent预测，未来五年800G与1.6T数通光模块市场复合年增长率将超过40%，预计2028年将占市场份额近40%。 未来五年，800G及1.6T光模块将主导数通市场。 光模块传输速率演进中，800G光模块分为三代技术升级：第一代为8光8电，第二代为4光8电，第三代为4光4电。 光接口架构多样，技术发展与应用需求紧密相连。 1.6T光模块需求预计于2025年实现，产品增长不会取代800G需求，而是作为补充。 随着1.6T光模块增长，800G需求亦同步增长。 数据中心能耗问题凸显，400G、800G、1.6T光模块能耗对比，能耗激增给成本端带来压力，解决能耗问题成为技术更新关键。 400G、800G、1.6T光模块能耗对比光模块产业链包括上游光芯片和器件供应商、中游封装与光通信设备制造商、下游数字通信市场与电信市场。 光模块企业加快并购重组，进行垂直整合，行业集中度提高。 国内厂商在光模块行业中逐渐占据重要地位，尤其在低速率产品实现国产化。 全球光模块市场主要客户集中在亚马逊、谷歌、英伟达等互联网和云计算企业。 光模块行业通常根据下游需求制定生产计划，上下游存在协作关系。 光模块行业格局中，中际旭创、华为、光迅科技等中国厂商表现突出。 Coherent、Cisco、Marvell等海外厂商也占据重要位置。 英伟达成为新细分市场的代表，与中际旭创、天孚通信、Fabrinet等合作，带动业绩回升。 剑桥科技、新易盛等公司陆续获得AI企业相关订单，业绩开始逐步回升。 CPO技术作为一种超小型高密度光模块技术，可替代传统可插拔光模块。 CPO将电芯片与光引擎封装在一起，集成度高，有望成为主导光模块技术路径。 CPO出货预计从800G与1.6T端口开始，于2024至2025年开始商用，2026至2027年开始大规模增长。 国内部分厂商在CPO相关技术研发与业务布局上已有所进展。 当前全球数据流量持续增长，AI科技巨头引领行业革新。 海外大厂在2024年的投资指引中明确表示加大对IDC、云服务与AI基础设施等光通信相关建设的投资。 AI算力与大模型的繁荣带动光模块向更高速率发展，产业有望迎来加速增长。
见证 AI 的变革时刻：高速光模块，以太网交换机和液冷技术
英伟达GTC 2024大会发布了GB200芯片及配套架构，通过提升GPU互联带宽、采用高性能光模块和交换机，并部署液冷技术，推动AI计算效能与数据中心能效升级。 在英伟达 GTC 2024 大会上，黄仁勋发表“见证 AI 的变革时刻”演讲，并推出了GB200芯片及相关架构，通过大幅提升GPU间的互联带宽并采用1.6T光模块。 同时发布全球首批端到端800G吞吐量的InfiniBand和以太网交换机，以及采用液冷技术的服务器解决方案，全方位推动AI计算性能革新和数据中心能效提升。 1 高速光模块在GTC 大会上，英伟达揭晓了新一代 GB200 芯片，业界正密切关注这款芯片如何重塑光模块市场需求格局。 在去年五月末的 COMPUTEX 展会上，英伟达首度公开其 GH200 芯片。 经估算，在由256颗GH200构建的集群配置中，所需的800G光模块数量高达2304个，平均每颗芯片配备的光模块比例达到了空前的1:9。 本次发布会上崭露头角的GB200同样秉持了这一设计理念，依据黄仁勋在演讲中的披露，单个GPU之间的双向通信带宽已经由先前的900GB/s跃升至1800GB/s。 而在集群配置上，一个标准机柜能装载上限为72颗BlackwellGPU，借助新一代NVLink5交换技术，可以实现多达576颗GPU的互联；并且通过InfiniBand或以太网交换机，集群规模还可进一步扩容至上万个GPU节点。 该方案在单台机架中配置了 36 颗 GRACE CPU 和 72 颗 Blackwell GPU，通过铜缆的方案将该 72 颗 Blackwell GPU 进行互联，这一点与 GH200 方案类似，即：第一层网络无需光模块互联。 正如黄仁勋主题演讲所揭示，在GB200的单机柜配置中，得益于全新一代NVLink Switch芯片的支持，GB200能够组建一个由576颗Blackwell GPU构成的计算集群，显著超越了前代GH200所支持的最大256颗GPU集群规模。 就互联带宽而言，集群内的每一颗Blackwell GPU都能实现双向1800GB/s的高速传输，相较于GH200，带宽性能整整翻了一番，这也意味着对应的光模块需承载的带宽加倍，从而催生了对1.6T光模块的需求。 下面我们参照上述逻辑进行估算：据此推算得出，在GB200芯片与1.6T光模块之间，它们的理想使用比例同样是576：5184=1：9，即单个芯片数与光模块的比例为1：9。 2 以太网交换机英伟达隆重推出了Quantum-X800 InfiniBand系列与Spectrum-X800以太网交换机产品，成为全球率先实现全程800GB/s数据传输速率的网络解决方案，携手英伟达的配套软件套件，能够有力地促进各种类型数据中心内人工智能任务、云端运算、大数据处理以及高性能计算应用的执行效率，此创新同样适用于基于Blackwell架构新近构建的数据中心环境。 英伟达 Quantum-X800 和 Spectrum-X800 交换机两者的早期应用客户有微软Azure、甲骨文云基础设施和 CoreWeave。 其中 Quantum-X800 相比上一代，使用 SHARPv4下的带宽容量提高 5 倍、网络计算能力增加 9 倍至 14.4TFlops。 Spectrum-X800 优化网络性能，转为多租户环境设计，可确保每个租户的 AI 工作负载的性能隔离，以保持最佳且一致的性能水平，从而提高客户满意度和服务质量。 在国内，新华三与华为两大企业紧随交换机技术升级的步伐，相继推出了自家的800G数据中心交换机产品。 如新华三在NAVIGATE领航者峰会上全球首度推出了旗下51.2Tbps速率的800G CPO硅光数据中心交换机系列产品——H3C S9827系列。 图：新华三全球首发 800G CPO 硅光数据中心交换机这款产品内置的单芯片传输速率高达51.2T级别，支持64个800G的端口。 在保证高吞吐性能的同时，借由CPO硅光技术的优势，进一步将单端口传输延迟降低了20%，这一改进意味着在同样的时间周期内，AIGC集群内部GPU之间的数据交换能力可以得到25%的增长，显著提升了GPU的整体计算效能。 一样，华为在 2023 年 6 月第 31 届中国国际信息通信展中发布首款 800GE 数据中心核心交换机——CloudEngine -X 系列：图：华为首发 CloudEngine -X 800GE 数据中心交换机华为声称其CloudEngine -X支持 288 个 800GE 端口，具备3.5 微秒跨板转发时延，整体TCO可降低 36%。 3 液冷技术在英伟达 GB200 的方案中，其机架具有 2 英里长的 NVLink 布线，共 5000 根电缆，估算其功耗将达 20KW及以上。 因此，服务器亟需更高效的散热方式。 为了让这些计算快速运行，英伟达将采用液冷的设计方案，冷却液输入/输出水温分别为 25℃/45℃。 除了英伟达，AI 服务器厂商超微电脑预计将在24Q2内扩产液冷机架。 GB200 NVL72 液冷机架示意图同时，国内产业链也在协同推进液冷技术的发展。 三大运营商在去年 6 月发布了《电信运营商液冷技术白皮书》，并提出 25 年及以后液冷在 50%以上项目规模应用的愿景。 电信运营商液冷技术规划
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