中金 - 硬科技前沿系列：光芯片点亮未来高速连接与计算

以GPT为代表的大模型快速发展，带来IDC内部高速通信需求提升。我们认为光芯片作为网络互联底座的重要元件，其性能决定了光传输网络的承载和传输能力，是上层应用能否落地的关键。光芯片（含硅光）的工艺难点在于生产制造中的外延生长，有望长期成为高速连接与计算的底层支撑。同时，我们也看好在政策扶持、中外厂商技术差距缩小、下游本土光模块企业存有国产替代需求等契机下，光芯片国产替代有望持续加速。

摘要

数通及电信市场双轮驱动，推动全球光芯片市场规模向上。数通侧，流量增长叠加网络架构转型、模型并行推升对光模块的需求，我们测算GPT等大模型训练和推理有望在未来3年每年平均拉动约27%的增量需求弹性；电信侧，国内外的5G建设和PON市场景气高企直接拉动电信光模块需求。结合LightCounting对全球光模块市场的预测，我们测算得到2025年全球光芯片市场规模约41.5亿美元，其中数据中心用光芯片市场规模有望达到24.2亿美元，2022-25E CAGR约24%。

高端光芯片处于国产突破阶段，机遇与挑战并存。本土厂商在中低端品类已具备技术实力和批量出货能力，但在25G及以上光芯片市场的占有率仍落后于海外，主要是由于我国光芯片行业起步晚，在工艺稳定性、批量供货能力、客户认证等方面与海外仍有差距。但在国家政策扶持、下游本土光模块企业存有国产替代需求、提速升级窗口期拉长等发展机遇下，我们看好国内具备外延到制造完整工艺线的头部企业的技术追赶，国产光芯片市场规模有望在2025年达到15亿美元，2022-2025年CAGR为26%，渗透率达36%。

大模型训练对数据通信与处理提出新要求，硅光芯片应用星辰大海。硅光芯片兼具微电子和光子的优势，不依赖于先进制程，或成为突破摩尔定律天花板的关键。我们认为，在高速通信场景中，硅光&CPO方案加速渗透，有望助力硅光芯片成为数据中心信息传输的主要载体；AI模型发展催生对算力的高需求，后摩尔时代传统电子计算陷入发展瓶颈，展望长期，我们看好以硅光芯片为基础的光计算有望赋能部分高速计算场景。

风险

数通及电信市场需求不及预期；国产光芯片技术迭代不及预期；硅光及CPO新技术发展不及预期；行业竞争加剧风险。

正文

大模型训练场景下，IDC内部高速通信需求提升

大模型（Large Language Models，LLM）是“大数据+大算力+强算法”相结合的产物，其核心特征是模型参数多、训练数据量大。大模型基于海量数据集进行预训练，再根据应用场景的特性，用少量数据进行微调，完成训练目标，最近备受关注的ChatGPT就是大模型的典型应用。大模型的核心在于参数量和训练数据集的大小。以GPT系列模型为例，GPT在2018-2023年间迭代了4个大版本，参数规模由GPT的1.17亿个扩大至GPT-3的1750亿个，预训练数据量从GPT的5GB增长到GPT-3的45TB。我们认为随着大模型实际应用对性能的要求不断提高，未来模型规模将继续快速攀升，参数量和训练吞吐量也将呈现非线性增长态势。

并行策略是解决大模型对计算、存储性能挑战的核心手段。当模型规模较大时，单机串行执行已无法满足模型的计算要求，因此需要一些并行策略来辅助训练，如数据并行和模型并行。数据并行是将输入的数据拆分到不同节点后再计算，可以有效扩展训练数据量；模型并行是将模型切分成若干个子模块、分配到不同工作节点上，在不同的计算设备上运行形成多个子训练模型再合并，能够有效扩展参数量。现阶段大模型多使用混合数据并行和模型并行的方式，充分利用计算资源并提高计算效率，从而加速模型的训练和推理过程。

模型并行架构下节点数增加，训练过程中对内部高速通信传输的需求提升。神经网络模型具有比较明确的层次化结构，模型层与层之间的依赖关系复杂。在模型并行架构下，计算节点增多，且训练过程中各个节点上的子模型之间依赖度较强，需高频进行中间计算结果的通信，因此通信性能对整体系统运行的速度和效率的影响较大。且甚于数据并行的是，模型并行需要在不同节点之间频繁通信以传递特征图（feature map），交互信息的高量级对节点间的通信性能提出了更高要求，推升内部通信高带宽、低延迟需求。

我们认为，提高内部数据通信性能，一方面，需要采用高效的网络架构以支持高速数据传输和实现数据流量的异构多路径处理。如，腾讯打造的星脉高性能网络，采用1.6T超带宽接入、异构网络自适应通信优化技术并结合自研高性能通信库，构建了1.6T ETH RDMA网络，最终实现通信时延降低40%，AI大模型通信性能提升10倍。

图表1：大模型划分计算示意图

资料来源：《面向AI应用的网络加速架构设计》（邱帅兵，2019）,中金公司研究部

图表2：腾讯星脉高性能计算网络

资料来源：腾讯官网，中金公司研究部

另一方面，通信基础元件的升级亦不可或缺。我们认为在大模型时代，通信基础元件将向大带宽、集成化、高效能发展；其中，具备光电转换功能的光芯片凭借高速率、低损耗的特点大量应用于光传输领域，有望成为数据中心光互联底座的核心部件。我们认为，光芯片的性能决定了光传输网络的承载和传输能力，也是上层应用能否落地的关键。考虑到模型并行训练、AI应用推理的快速发展，我们认为800G/1.6T等下一代光模块产品的渗透率提升曲线或将变得更为陡峭，面向800G及更高速率光模块的光芯片产品及硅光、CPO等新技术方案已成为当下发展热点。同时，我们也看到国产光芯片替代的规模化进程加速，国内头部光芯片厂商发展空间广阔。

何为光芯片？

光芯片：实现光电转换功能的核心芯片

光芯片是光电子器件的核心组成部分，通过内部能级跃迁实现光电信号的相互转换。光芯片按照功能可分为激光器芯片和探测器芯片。根据谐振腔制造工艺不同，激光器芯片可进一步细分为边发射芯片（包括FP、DFB和EML）和面发射芯片。

激光器芯片：一般以PN结注入电流为激励源，以半导体材料为增益介质，将注入电流的电能激发，从而实现谐振放大选模输出激光，完成电转光。

• 边发射（EEL）：在芯片的两侧镀光学膜形成谐振腔，沿平行于衬底表面方向发射激光。FP（法布里-珀罗激光器）、DFB（分布式反馈激光器）、EML（电吸收调制激光器）都属于EEL芯片。其中，FP适用于低速率短距离传输，DFB用于中长距离通信，两者均为直接调制激光器芯片，通过控制电流的有无来调制激光的输出；EML集成DFB和电吸收调制器，属于外调制激光器芯片，其信号传输质量高，易实现高速率长距离传输，但成本也相对更高。

• 面发射（VCSEL）：在芯片的上下两面镀上光学膜形成谐振腔，垂直于衬底发射激光。和EEL相比，VCSEL具有体积小、功耗低、耦合效率高、生产良率可控、制造成本低的特点。但VCSEL由于功率被分摊，发光功率密度（峰值为10W）较低，多用于500米以内的短距离传输。

探测器芯片：用于检测光信号并完成光信号向电信号的转换，包括PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。PIN适用于短距离传输，APD在PIN的基础上在本征区外增加雪崩区，能够更加灵敏地探测光生电流，适用于经过长距离传输的弱信号的探测，成本较PIN更高。

图表3：光有源芯片分类

资料来源：源杰科技招股书，中国电子元件行业协会，中金公司研究部

光芯片位于光通信产业链的金字塔尖

光通信是光芯片最大的下游应用场景之一。光通信是以光为信息载体、以光纤为传输介质、经由电光转换后进行光信号传输的一种通信方式。从光通信产业链看，上游为半导体材料、光芯片、其他基础构件（电芯片、PCB、结构件、辅料等）供应商，产业链中游为光器件组件（包括光有源组件和无源组件）和光模块，光模块配合电信设备、网络设备等使用，最终面向下游电信市场和数通市场两大类客户。

光芯片：光芯片是光模块的核心部件，按照调制速率可分为2.5Gb/s、10Gb/s、25GB/s、50Gb/s甚至更高，速率越快对应光模块在单位时间内传输的信号量越大，因此光芯片是光模块的性能锚点。根据Yole数据（2021年），100G光模块的成本构成中，TOSA（发射器件）和ROSA（光接收器件）是主要成本所在，分别占37%和22%；功能电路（包含电芯片、PCB板）占23%。根据亿渡数据，光芯片（包含激光器芯片和探测器芯片）在TOSA和ROSA中的成本占比一般达到85%，综上我们测算得到光芯片约占光模块物料成本的50%，是光模块原材料成本占比中最高的部分，且比重随着光模块速率的提升而增长。

图表4：光模块物料成本结构（2021年）

资料来源：Yole，亿渡数据，中金公司研究部

电芯片：由于光子本身难以灵活控制开关，也不能作为存储单元，因此纯光子器件要想实现完整的信息处理功能需要借助电子器件。电芯片一方面为光芯片提供配套支持，另一方面主要负责复杂的数字信号处理，如调制、相干信号控制、串并/并串转换等。其中，DSP芯片是门槛较高的电芯片，主要用于200G及以上光模块中，其市场份额集中于博通、Inphi等全球龙头。

光器件：主要分为有源光器件和无源光器件，光有源器件又包括光收发组件（激光器、光探测器等以光芯片的形式封装在光收发组件中）、光放大器、光调制器等。光器件行业细分品类众多，竞争格局较为分散，在位厂商数量众多。

光模块：光模块主要由光器件、功能电路和光接口组件封装而成，可直接用于数据中心或作为光系统设备的组成部分应用于电信市场。

图表5：光模块内部结构拆解

资料来源：OFWeek，中金公司研究部

光芯片制备难点在于生产制造，IDM模式优势突出

光芯片工艺流程复杂，外延生长为技术壁垒最高的环节。以激光器芯片为例，光芯片的工艺流程可分为芯片设计、外延生长、晶圆制造、芯片加工与测试。在制造工艺上，光芯片性能的提升不完全依靠尺寸的减小，更注重外延结构设计与生长。

图表6：激光器芯片生产流程图

资料来源：《中国光通信用芯片产品：服务与展望》（和弦产业研究中心，2020），源杰科技招股书，光通信女人，中金公司研究部

衬底：InP/GaAs材料经提纯、拉晶、切割、抛光、研磨制成单晶体衬底，用于外延生长。我国在InP和GaAs衬底方面已基本具备进口替代的能力，根据Yole，国产厂商北京通美在2020年已成为全球InP衬底第二大供应商，市占率高达35%，仅次于住友电工；在2019年全球GaAs衬底市场中占据13%的市场份额，位居行业第三。

图表7：2020年InP衬底全球市场竞争格局

资料来源：Yole，北京通美招股书，中金公司研究部

图表8：2019年GaAs衬底全球市场竞争格局

资料来源：Yole，北京通美招股书，中金公司研究部

外延生长：外延生长是指在衬底片表面生长单晶多层二维状结构，最终生长成PN结结构的过程。外延层的厚度、比例、缺陷控制等参数直接决定了光芯片的发射波长、效率、可靠性、老化等性能指标和良率，因此外延生长是光芯片制备过程中最重要的一环。外延工艺的核心壁垒在于：1）对材料的理解：外延片采用多层堆叠结构，各层材料的生长需受限于外延层和衬底材料晶格常数、热膨胀系数等匹配要求，控制材料应变问题，这对外延层材料的选择提出了较高的要求；2）工程制造能力：外延片对多层堆叠结构每层厚度的精准控制能力要求较高，通常需要在1μm以下且均匀；3）对光电特性的理解：对激光的横模与纵模、有源区量子阱等光特性的理解，以及对等效的电阻、寄生的电容电感等电特性的理解，均直接影响外延片的设计效率，及最终光芯片的电光转换效率等核心性能；4）对设备的理解：外延开发需厂商投入大量时间调试机台的条件参数，对时间成本和设备工程师的Know-how积累有较高的要求。

晶圆制造：晶圆制造包括光栅制作、波导光刻、氧化物沉积、刻蚀等工序；其中，光栅工艺是在涂有光刻胶的基板上定义出光栅结构对应的掩膜图形，再利用刻蚀技术将掩膜上的图形转移至衬底上形成最终的光栅结构，会影响光芯片产品的出光功率、可靠性、极限工作温度等性能参数，是光芯片晶圆制造的关键步骤之一。

芯片加工与测试：包括解理镀膜、封测分选、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证测试等环节。

光芯片的制备难度随调制速率提升、特殊波长的选择而增加。通过对比源杰科技25G DFB和2.5G DFB的生产工艺，我们发现具有更高调制速率的光芯片制备难度更高：1）对设计和制造精度要求更高：25G DFB量子阱有源区堆叠层数更多，在保证芯片尺寸的前提下对每一层外延生长参数精准控制的要求进一步提升，以及对谐振腔的几何形状、折射率分布等参数均需精准把控；2）对材料和设备的要求更高：25G DFB必须使用电子束光栅设备进行光栅制作，对刻蚀、光刻机等设备性能要求更高；3）质量控制要求更严格：25G DFB的测试条件更加多维，整套生产工序超过280道，较中低速产品多出50-70道。从发射波长看，同一速率下不同波长光芯片的色散和光衰减速度并不相同。相较于1310nm和1550nm波长，10G PON数据下传和上传所需的1577nm和1270nm波长光芯片的光信号色散代价大、光缆损耗高，导致内部结构设计和生产难度加大。因此，要实现光通信芯片速率升级和多波长产品覆盖，需要长期的研发投入和生产工艺经验的积累。

图表9：25G DFB与2.5G DFB生产难度对比

资料来源：源杰科技第二轮审核问询函的回复，中金公司研究部

图表10：不同波长激光的损耗值

资料来源：亿源通科技官网，中金公司研究部

光芯片工艺层面标准化程度较低，IDM模式为主流。光芯片侧重于生产制造环节，其性能依赖于具体的制造工艺，这就决定了IDM模式（芯片设计-制造-封测全链条布局）在光芯片生产过程中优势突出：1）IDM模式使得光芯片设计与晶圆制造环节能够相互反馈验证、灵活调整参数，精准触达产品设计、生产、测试中的任何问题；2）形成完整的闭环流程，保证工艺稳定性并有效防止工艺Know-how外流。海外头部厂商如 II-IV、Lumentum、住友电工等多均采用IDM模式，覆盖芯片设计、外延生长、晶圆制造、芯片加工与测试全流程。

光芯片下游景气度与市场空间几何？

5G及双千兆部署构筑发展机遇，AI催化下数通市场引领长期成长

数通场景：数据中心流量增长和网络架构转型驱动需求增长

数据量攀升及网络架构转型共同拉动数通光模块需求增长。随着云计算、大数据、AI的快速发展，全社会对数据吞吐量和延迟提出更高诉求，全球数据中心规模快速扩张。数据中心整体流量增长使得其对光模块需求持续提升，同时数据流量从南北向到东西向转变将带来更多光模块需求。AI云端训练及推理需求推动东西向流量增长，驱动数据中心网络架构逐渐由传统的三层结构转向新型的叶脊（Spine-Leaf）结构，交换机之间的连接数增加推升对光模块的需求；大模型并行架构也进一步推动连接需求。根据LightCounting预测，2021年数据中心光模块市场规模为55亿美元，预计到2027年增长到105亿美元，2021-2027CAGR为11.4%。

海外头部云厂商资本开支温和上行，加码AI带动光模块增量需求。4Q22北美Top5云厂商合计资本开支432.9亿美元，同比增长10%。Bloomberg一致预测显示，海外宏观经济承压下，未来3年海外头部云厂商的资本支出将保持温和上行，增速较过去两年下滑明显。但同时我们也观察到，海外云资本开支逐渐向AI倾斜，微软持续投资加码OpenAI，Meta计划2023年将额外投入于数据中心的40-50亿美元全部用于AI领域，谷歌则将AI技术与自动化作为今年的关键投资方向。我们认为云厂商资本开支侧重变化有望加速AI进程，大模型训练和推理有望进一步推升光模块的需求。

图表11：海外头部云厂商年度资本开支情况及市场一致预期

资料来源：彭博资讯，各公司官网，中金公司研究部；注：预测数据为彭博一致预期，截至2023/3/10

ChatGPT带动AI云端算力需求扩张，高速光模块配套组网、市场空间提升。基于《AI浪潮之巅系列：服务器，算力发动机》一文中对算力增量需求的预测，我们以NVIDIA DGX SuperPOD网络架构（配备A100或H100服务器）为例，量化测算AI大模型训练及推理应用所带来的光模块增量需求。我们假设不同厂商各自搭建AI数据中心基础设施架构进行模型训练，各厂商之间的网络架构不互联。

训练侧：2023-2025年训练型AI加速芯片需求增量为60万张，对应服务器需求增量为7.5万台。1）POD（point of delivery，数据中心基本物理设计单元）：参考NVIDIA DGX SuperPOD组织结构，我们假设200台服务器形成一个POD组网，7.5万台服务器对应375个POD。2）交换机：我们假设单个POD中叶/脊/核心交换机的数量分别为80/80/40个，且三层交换机的上下行端口数各为20个。3）光模块：基于以上假设条件，我们计算得到以200台AI服务器组网，NVIDIA DGX SuperPOD架构中所使用的服务器和光模块的数量比约为1:48。根据我们的产业链调研，目前国内的互联网AI数据中心中主要使用200G光模块，海外则以400G为主、向800G迭代升级，我们选取平均水平的400G光模块单价作为ASP，测算得到配套的光模块价值增量为14.4亿美元。

图表12：140节点的NVIDIA DGX SuperPOD架构示意图

资料来源：英伟达官网，中金公司研究部

图表13：大模型训练带来的2023-2025年光模块合计增量需求测算

注：1:）表格中服务器台数仅基于英伟达A100等效算力测算，不代表中长期实际出货台数；2）SU（scalable units，可扩展单元）：每个SU由20台服务器组成，且都有一个专用机架。

资料来源：英伟达官网，中金公司研究部

推理侧：2023-2025年推理型AI加速芯片需求增量为140万张，对应服务器需求增量为17.5万台，推算得到配套的光模块价值量合计约为33.6亿美元。更长期而言，随着AI应用地推广和活跃用户数的大幅提升，我们看好推理用光模块增量市场规模保持高增长，打开光模块成长天花板。

图表14：大模型推理带来2023-2025年光模块合计增量需求测算

注：1:）表格中服务器台数仅基于英伟达A100等效算力测算，不代表中长期实际出货台数；2）SU（scalable units，可扩展单元）：每个SU由20台服务器组成，且都有一个专用机架。

资料来源：英伟达官网，中金公司研究部

根据LightCounting（2022年11月）数据，2022年全球数据中心光模块存量市场空间为60亿美元，根据我们的测算2023-2025年大模型训练加推理带动的光模块增量需求合计约48亿美元，对应年化约16亿美元的增量光模块需求，有望驱动存量市场约27%的增量弹性。我们认为，随着网络流量持续增长，交换机带宽将进一步上行，从而带动单一端口光模块速率迭代至800G甚至更高，光模块增量空间弹性有望持续攀升。

电信场景：5G及千兆宽带建设直接拉动电信光模块需求

千兆光纤网络升级推进PON光模块部署。在国家政策推动下，千兆网络覆盖范围持续扩大。根据工信部，截至2022底，我国具备千兆网络服务能力的10G PON端口数达1523万个，已提前完成工信部《“十四五”信息通信行业发展规划》2025年1200万个的目标。我们认为，受益于国内光纤到户（FTTH）到光纤到房间（FTTR）的演变以及海外“光进铜退”趋势，10G PON光模块市场将迎来更大的发展机遇。根据LightCounting预测，10G PON端口出货量增长强劲，到2025年10 GPON及以上端口出货量占PON总端口数比重有望过半。

图表15：我国10G PON端口数增长情况

资料来源：工信部，中金公司研究部

国内5G基站建设力度可观，推动电信光模块需求稳定向上。电信光模块主要用于接入网中基站建设的前传、中传，以及城域网和核心网内数据传输等，所需光模块数量与基站数量密切相关。5G网络目前对光模块的需求主要集中于25G-200G光模块。根据工信部数据，截至2023年2月末，我国已建成5G基站总数达到238.4万个，2022年新建88.7万站5G基站。根据三大运营商公布的2023年5G基站建设指引，我们预计2023年将新增78万个5G基站。根据LightCounting，2022年电信侧光模块市场规模为36亿美元，预计到2027年增长至51亿美元，2022-2027年CAGR为7.1%。

图表16：全球电信侧光模块市场规模及预测（不包括FTTx）

资料来源：LightCounting，中金公司研究部

光模块持续向高速迭代，推动光芯片调制速率升级、市场扩容

为应对网络提速和高带宽需求，光模块持续向高速演进。一般来说，数通光模块产品速率2-5年为一个迭代周期。根据Yole，400G光模块已进入全球商用部署阶段，800G光模块也开始在海外数据中心逐步上量，1.6T光模块样机的研制正在稳步推进中。根据LightCounting预测，800G光模块在100G及以上光模块市场中的营收占比将从2023年的8%提升至2027年的35%，1.6T光模块在100G及以上光模块市场中的营收占比将从2024年的1%提升至2027年的19%。展望未来，我们认为大模型训练场景下通信带宽升级提速，800G/1.6T等下一代光模块产品的渗透率提升曲线或将变得更为陡峭，引领光模块整体市场空间持续增长。

光芯片速率升级、代际更迭为行业必然趋势。随着数据中心等场景进入更高速率时代，单通道所需的光芯片调制速率要求同步提高，从2.5Gb/s向10Gb/s、25Gb/s及更高速率升级，芯片用量亦成倍增长。

图表17：数据中心光模块速率迭代情况

资料来源：Yole，中金公司研究部

图表18：100G+各速率光模块市场规模及其预测

资料来源：LightCounting，中金公司研究部

基于以上研判，我们参考源杰科技问询函回复以及LightCounting对移动通信、数据中心、光纤接入光模块市场规模的预测，叠加AI大模型训练及推理应用对高速率数通光模块的增量需求，增加其他假设：1）参考中际旭创、联特科技毛利率情况，假设10G及以下光模块25%的毛利率、25G及以上光模块30%的毛利率保持不变；2）根据中际旭创定增募集说明书，假设直接材料占光模块成本比例稳定在80%，光芯片在电信和数通光模块物料成本的占比分别为60%、40%。综上，我们测算得到2022年全球光芯片（含激光器芯片和探测器芯片）市场规模约27.9亿美元，预计2025年全球移动通信、数据中心、光纤接入光芯片市场规模有望分别扩容至14.8亿美元、24.2亿美元和2.6亿美元，合计市场空间达41.5亿美元，2022-2025年CAGR约14.1%；其中数据中心用光芯片市场增速最快，22-25ECAGR为23.7%。

图表19：全球光通信芯片市场规模测算

资料来源：《源杰科技第二轮审核问询函的回复》，LightCounting，中际旭创定向增发募集说明书，中金公司研究部

光芯片国产替代行至何处？

海外厂商：龙头凭借先发优势抢占市场，布局高端光芯片产品

Lumentum和II-VI为全球光通信龙头，通过外延并购快速布局不同行业和技术。Lumentum先后收购Ocarlo和Neophotonics，夯实其在光通信领域的领先位置；II-VI集团通过收购Photop、Finisar将自身材料业务延展至通信、工业、汽车等领域，并于2022年成功收购Coherent进一步巩固全球光通信龙头地位。两家公司均为涵盖多品类的平台型企业，在光通信领域实现芯片/器件/模块上下游一体化布局，且横向拓展至工业、消费等其他领域。根据Yole数据，Lumentum和II-VI在2020年全球光芯片市占率合计达到79.5%，占据主导地位。

海外龙头光芯片产品布局集中在高速率。海外龙头在光通信行业起步早、积累多，基本覆盖光芯片全速率、不同波段产品，应用于电信/数据中心/企业全场景。细分产品来看，海外龙头企业已逐渐退出2.5G低端光芯片市场的竞争，聚焦价值量更高的25G及以上光芯片，牢牢把握高端市场。Lumentum于2022年3月发布100G和200G PAM4 EML、100G PAM4 DML，II-VI于同年9月发布200G EML产品，提前部署下一代数据中心应用。

国内厂商：低端赛道以成本取胜，高端赛道国产化突破逐渐明朗

不同速率光芯片国产化进度不同，中低速率已基本完成国产化，25G及以上高速产品正处于国产化突破阶段。根据源杰科技招股书和ICC，1）全球2.5G及以下DFB激光器芯片市场中，国内芯片厂商占据主要份额，国外厂商由于成本竞争等因素已基本退出市场。2）10G市场中，我国企业已基本掌握10G光芯片核心技术，2021年源杰科技在10G DFB市场的份额已超过住友电工达到20%，但部分型号技术门槛高仍依赖进口，如用于10G-PON数据下传的10G 1577nm EML芯片，目前仅部分国际头部厂商能实现批量供货。3）25G市场中，国内已有多家厂商实现量产25G芯片，2021年25G光芯片国产化率为20%。4）50G及以上市场中，海外产品占据主要份额，最高速率可达200G；国内尚处于技术攻关阶段，少数50G产品送样测试，2021年25G以上光芯片国产化率不到5%。整体来看，本土厂商在中低端市场已具备技术实力和批量出货能力，高端芯片落后海外2代以上。

图表20：2021年2.5G及以下DFB激光器芯片全球市场竞争情况（按销售额）

资料来源：ICC，源杰科技招股书，中金公司研究部

图表21：2021年10G DFB激光器芯片全球市场竞争情况（按销售额）

资料来源：ICC，源杰科技招股书，中金公司研究部

图表22：部分国内厂商在不同速率激光器芯片上的布局情况

资料来源：各公司公告，各公司官网，中金公司研究部；注：统计截至2023/3

我们认为，中高端光芯片国产替代机遇与挑战并存。受工艺稳定性、可靠性、批量供货能力及客户认证等因素影响，海外厂商在中高端光芯片市场中仍占据主导地位。但同时，我们也看到下游光模块市场国产替代已基本完成，在国家政策大力扶持、提速升级窗口期拉长等契机下，我们看好国内光芯片头部企业的技术追赶。

挑战：国内光芯片厂家起步较晚，在部分设备材料、制造工艺等产业链配套上和海外头部厂商仍有差距。1）设备：虽然中微公司、北方华创等国内厂商已实现中低端MOCVD外延设备的供应，高端MOCVD仍依赖进口，电子束光栅设备、腔面镀膜机等也基本采购自海外，尚未实现国产替代。2）工艺：海外领先厂商可自行完成从芯片设计、外延生长到晶圆制造的全工序，国内厂商普遍具有除外延外的后端加工能力，但外延工艺落后于海外，多数厂商需向国际厂商采购高端外延片，一定程度上限制了高端光芯片的发展。3）良率：受限于工艺成熟度，国内10G以上光芯片良率仍有提升空间。4）人才：光芯片在分子束外延、减薄、镀膜、切割等环节均需要长期的工艺经验积累，国内高端光芯片专业研发人才较为紧缺。

机遇#1：下游光模块国产化水平较高，向上游延伸进一步整合产业链。根据LightCounting，2021年全球光模块销售额前十厂商中国内厂商占六家，分别是中际旭创（与II-VI并列第一）、华为海思（第三）、海信宽带（第五）、光迅科技（第六）、华工科技（第八）和新易盛（第九），我国光模块国产替代已基本完成。光模块厂商在巩固模块市场份额的同时，向产业链上游纵向布局。我们认为光模块综合厂商有望依托其市场地位和产品拓展能力，催熟我国光芯片产业链，进一步推动我国光通信全产业链国产替代。

图表23：源杰科技主要产品良品率指数

资料来源：源杰科技第二轮审核问询函的回复，中金公司研究部；注：假定2019年10G激光器芯片产品的良品率指数为100，其他良品率指数均以2019年10G激光器芯片产品的真实良品率分别折算得到

图表24：全球十大光模块供应商变化情况（按销售额）

资料来源：LightCounting，中金公司研究部

机遇#2：政策加码，推动高端光芯片国产替代持续深入。工信部于2017年发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》指引我国光芯片行业发展，目标到2022年10G EML、25G EML、50G EML、25G及以上DFB芯片的国产化率分别达到80%、50%、20%和60%。2021年6月出台的《上海市战略性新兴产业和先导产业发展"十四五"规划》将光子芯片与器件等确定为“面向未来重点布局的先导产业”，重点突破高端光芯片的研发与应用。工信部于2022年6月启动《中国光电子器件产业技术发展路线图（2023- 2027年）》的编制，我们认为下一个五年发展路线图将继续高度重视光电子技术产业，叠加一系列数字经济政策对光芯片终端应用需求的刺激，有望从政策面拉动光芯片国产化的不断突破。

图表25：《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》2020和2022年光芯片发展目标

资料来源：《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》，工信部，中金公司研究部

机遇#3：调制形态升级、数通客户升级节奏分化，或给予国产光芯片厂商更充裕的提速升级窗口期。1）调制技术演进，激光器速率提升需求慢于模块端。和NRZ调制方式相比，PAM4调制格式能够通过改变光信号的可调幅度和时间间隔实现在同一频谱带宽内传输更高速的数据，且通过多路PAM4信号叠加能够进一步推升模块的传输速率。2）数通客户需求分化拉长存量产品生命周期。不同互联网厂商对带宽升级的迫切性存在差异，以400G为例，我们观察到海外头部互联网公司谷歌、微软等升级节奏较快，谷歌自2019年起便实现了400G光模块的初步商用；而国内互联网客户2021年后才开始推进200G/400G的初步批量部署。根据LightCounting，国内云计算厂商对下一代光模块部署的节奏相较部分海外头部互联网厂商慢2-3年。我们认为数通光模块升级节奏的分化或有望拉长100G等存量光模块的生命周期。综上，我们认为国内光芯片厂商应对技术突破和产品提速升级的窗口期有望拉长，高端光芯片国产替代有望迎来发展契机。

机遇#4：国产厂商技术不断追赶，有望后来居上。根据OFweek，国内首条多材料、跨尺寸的光子芯片产线将于2023年建成[1]，我们认为该产线有望填补我国在光子芯片晶圆代工领域的空白。随着国内厂商光芯片设计、制造技术不断成熟优化，我们看好光芯片国产替代进程步入加速期。

据ICC预测，我国光芯片厂商销售规模占全球光芯片市场的比例有望持续提升，中高速率产品增长曲线将更为陡峭；到2024年，国产光芯片在25G和25G以上的全球市场份额有望分别达到64%、18%。结合ICC对不同速率国产光芯片渗透率的预测，我们估测2021年光芯片整体国产替代率约25%，到2025年有望达到36%。结合前一章节对全球光芯片市场规模的测算，我们预计国产光芯片可达市场空间有望从2022年的7.5亿美元增长至2025年的15亿美元，2022-2025年CAGR为26%，增速远高于全球光芯片整体市场规模增速。我们认为，具备光芯片自主外延设计和制备能力、以IDM模式发展的国内头部光芯片供应商有望优先受益于国产替代，其销售收入的增长速度或更高于行业平均水平。

图表26：国产光芯片占全球光芯片市场比例预测

资料来源：ICC，中金公司研究部

图表27：国产光芯片整体市场规模预测

资料来源：《源杰科技第二轮审核问询函的回复》，LightCounting，ICC，中际旭创定向增发募集说明书，中金公司研究部

大模型时代已至，硅光芯片引领光通信与计算未来趋势

硅光芯片：超越“摩尔定律”的新曙光

硅光芯片是采用硅光子技术制备的光芯片。硅光芯片基于成熟度高、成本下探空间大的绝缘衬底上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）平台，利用成熟的CMOS微电子制备工艺，在同一硅晶圆上集成光源、调制器、波导、探测器、滤波器、CMOS电路等器件，实现光信号处理与电信号处理的深度融合。

优势：硅光芯片有机结合微电子技术和光电子技术，兼具微电子尺寸小、成本低、集成度高的特性和光子高带宽、高速率、低功耗的优势。

不足：目前硅光芯片尚面临硅光耦合工艺、晶圆自动测试及切割、设计工具非标准化等技术瓶颈。受制于工艺成熟度、产业标准尚未统一以及产业链完备性，硅光芯片在成本、良率、功耗上的理论优势还未显现，因此还没有大规模普及。

图表28：Intel硅光芯片结构-晶圆键合法

资料来源：Intel公司官网，中国通信学会，中金公司研究部

人工智能浪潮迭起，硅光方案在高速通信和计算场景中加速渗透

高速通信场景中硅光模块性价比凸显，硅光芯片有望承载数据中心内主要的高速信息传输。得益于技术成熟度，在400G时代传统分立式光模块仍是市场主流。然而在800G以上更高速场景中，传统光通信的堆叠和多通道方案将面临成本、能耗双高的挑战；与此同时，硅光模块高度集成的特性大幅减小了模块体积、有效降低成本并控制功耗。展望未来，大模型训练过程对数据中心内部通信密度的要求大幅提升，硅光芯片能够在低成本的前提下有效提高数据中心内集群之间、服务器之间甚至芯片之间的通信效率，硅光模块的渗透率有望进一步提升。据Yole预测，2025年全球硅光模块市场容量有望达到37.3亿美元，占整个光模块市场比例近30%，2021-2025年CAGR约27%。

图表29：全球硅光模块市场规模及渗透率预测

资料来源：Yole，LightCounting，中金公司研究部

算力高增趋势下，降低光模块能耗的需求日益迫切。GPT等AI模型训练的执行需要大规模的GPU阵列，算力高速增长随之带来能耗的快速攀升。以GPT-3为例，一次训练需要消耗约19万度的电力，AI集群的发展受到高能耗的限制。随着通信速率的提升，传统可插拔光模块的功耗也呈现增长态势，Cisco官网预测2022年可插拔光模块的功耗相比2010年将增长26倍。NVIDIA的Craig Thompson在OCP 2022上表示AI集群所需要的网络带宽面临32倍的提升诉求，继续使用可插拔光模块将带来成本翻倍和20-25%的额外功耗[2]。我们认为在数据中心降低整体能耗的压力下，如何降低光连接部分的功耗变得日益重要。

CPO技术引领下一代数据中心风向，助力硅光芯片成为超高带宽数据光互联的标配。CPO（Co-Packaged Optics，共封装光学）将硅光芯片封装而成的光引擎和交换ASIC共同装配在同一个插槽上，较可插拔方案优势明显：1）功耗更低：CPO方案大幅缩短交换芯片和光引擎间的布线距离，进而降低电信号驱动功耗。根据Cisco官网，把51.2T系统中的可插拔光模块替换为CPO后，将交换ASIC与光引擎连接所需的功率可减少50％，从而使得整机系统总功率减少25-30％。2）成本更低：CPO方案减少了对设计成本较高、能够传输超高速电信号的PCB的需求以及额外的DSP芯片使用，有效降低系统成本。3）集成度更高，可实现更高密度的端口设计。

图表30：可插拔和CPO两种封装方案

资料来源：芯东西，中金公司研究部

图表31：51.2T系统中可插拔光模块替换为CPO后的功耗结构对比（2023年）

资料来源：Cisco官网，中金公司研究部

我们认为，在800G时代可插拔或仍是市场主流，但当通信带宽提升至1.6T及以上，数据中心内部光连接升级或将转向高能效比的CPO方案，而硅光芯片作为CPO高集成度芯片首选方案有望在数据中心应用场景中普及。据LightCounting预测，CPO搭配硅光有望在2025年迎来一定程度的放量，到2027年CPO出货量有望达到450万件，在800G和1.6T端口出货总数中占比接近30%，主要应用于AI和高性能计算集群中，其次是云数据中心交换机场景。

图表32：800G/1.6T CPO端口和其他（以太网光模块、AOCs）出货量预测

资料来源：LightCounting，中金公司研究部

后摩尔时代传统电子计算陷入发展瓶颈，硅光芯片有望赋能未来计算系统。随着人工智能、神经网络、语音处理等技术的蓬勃发展，大容量实时数据处理和分析场景催生对算力的高需求，全球算力规模高速增长。据OpenAI统计，自2012年起，每3-4个月人工智能的算力需求翻番，当前电芯片的发展逼近摩尔定律极限，无法完全满足大模型训练场景下快速攀升的数据吞吐需求。相较于电芯片，光子之间干扰小，兼具更高计算密度与更低能耗的优势。根据公司官网，曦智科技的第二代高性能光子计算处理器PACE实现在单个光子芯片中集成超过10,000个光子器件，其运行特定循环神经网络速度是目前高端GPU的数百倍[3]。

从光通信到光计算、光传感，硅光芯片市场空间未来可期。根据Yole数据，2021年全球硅光芯片市场规模为1.51亿美元，Yole预计到2027年，硅光芯片市场规模有望增长至9.72亿美元，2021-2027年CAGR高达36%；其中，数据中心通信和光计算为2027年硅光芯片最主要的两大应用场景，市场规模分别为4.68亿美元和2.44亿美元。我们认为，光通信与光计算相辅相成，最终使得数据计算与传输均在光域中完成，有望助推硅光芯片市场规模进一步上行；此外，消费者健康、激光雷达等光传感潜在场景亦有望贡献市场空间增量。

图表33：2021年和2027年全球硅光芯片市场规模

资料来源：Yole，中金公司研究部

硅光芯片产业链

硅光芯片产业链可分为上-中-下游，上游主要包括PDA设计工具、SOI衬底、外延片等供应商，中游涵盖硅光芯片设计、制造、封装厂商，下游主要是通信网络设备商及系统商。由于硅光技术成熟度仍有待提升且当前商用产品较少，目前硅光产业尚未形成稳定的竞争格局。

海外：大厂积极部署硅光赛道，产业化发展程度较高。在硅光芯片领域，部分国外一流企业拥有较为完善的布局，推出多款基于硅光技术的芯片或器件并实现出货，在行业中占据主要位置。

在CPO领域，全球网络设备和芯片大厂、终端云厂商均前瞻性地布局CPO相关技术及产品，并致力于推进CPO标准化工作。Meta和Microsoft于2019年创建了CPO联盟，起草相关标准；Intel于2020年展示业界首个集成了8个1.6T硅光引擎的CPO样机，交换容量为12.8T；英伟达在OFC 2022上展示利用台积电COUPE封装技术实现硅光芯片连接GPU系统的模型；Broadcom推出的带宽为51.2T的Tomahawk 5采用CPO技术将交换芯片与100G PAM4接口共同封装。我们观察到海外CPO布局主要由网络设备和芯片大厂推进，我们认为其原因可能是：1）技术实力方面，博通、英伟达等厂商网络实力较强，开始探索基于51.2T交换芯片的下一代CPO交换机的时间较早。2）商业诉求方面，网络设备商相比云计算厂商更有动力推进一整套网络架构方案的落地以提高其在产业链中的地位。

图表34：海外厂商CPO技术布局一览

资料来源：各公司官网，36氪，ServeTheHome，中金公司研究部

国内：尚处于追赶者地位，硅光技术不断突破。2018年，中国信科集团联合国家信息光电子创新中心实现我国首款100Gb/s硅光芯片的正式投产；2021年12月，我国完成首款1.6Tb/s硅基光收发芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光芯片技术向Tb/s级的首次跨越。我国硅光芯片研制以及后端封装能力不断提升，但由于起步较晚，在流片、制造、测试等环节仍依赖于海外。

在硅光通信领域，国内企业主要有两种参与模式：1）光模块或系统设备商主要通过并购或合作的方式，以实现前沿技术储备或降本目的。2）从Intel、Luxtera等国际一流硅光企业或海外名校出来的技术人才归国创立专业硅光芯片公司、。国内CPO技术的主要参与者为具备硅光芯片设计或生产能力的光模块厂商，基于自身的硅光芯片配合下游客户研发CPO方案。

在硅光计算领域，全球硅光计算行业仍处于发展早期，我国在研发、测试到推出产品等环节上的时间线几乎与国际厂商持平。

图表35：国内布局硅光领域的公司一览

资料来源：各公司公告，各公司官网，中金公司研究部；注：统计截至2023/3

相关风险

数通及电信市场需求不及预期。若数通、电信市场发展进程放缓，可能会导致光模块的需求不及预期，从而降低光芯片的需求。

国产光芯片技术迭代不及预期。若国内光芯片厂家技术迭代不及预期，将无法打破海外龙头在核心技术、产品推广上的竞争壁垒，高端光芯片的国产替代速度或不及预期。

硅光及CPO新技术发展不及预期。目前硅光产业仍处于前期发展阶段，仅在数通短距通信取得局部成功；CPO方案更是在早期发展阶段。若硅光芯片得不到下游客户需求和底层生态建设的支持，硅光及CPO技术发展将不及预期，未来实现规模化应用的不确定性较高，可能影响硅光芯片市场的规模。

行业竞争加剧风险。中高端光通信芯片存在较高技术壁垒，领先厂商可通过工艺积累和客户资源积累取得可观的毛利率。若行业竞争加剧，参与者可能通过价格战维持或取得市场份额，从而影响光芯片厂商的营收和盈利水平。

[1]https://fiber.ofweek.com/2022-10/ART-8100-2100-30576756.html

[2]https://www.lightcounting.com/newsletter/november-2022-special-focus-on-optical-connectivity-and-ai-at-ocp-summit-261

[3] https://www.lightelligence.co/index.php/news/infos/33.html

文章来源

本文摘自：2023年4月6日已经发布的《硬科技前沿系列：“芯”光璀璨，光芯片点亮未来高速连接与计算》

李诗雯 分析员 SAC 执证编号：S0080521070008 SFC CE Ref：BRG963

郑欣怡 联系人 SAC 执证编号：S0080122070103

陈昊 分析员 SAC 执证编号：S0080520120009 SFC CE Ref：BQS925

于新彦 联系人 SAC 执证编号：S0080122080172

彭虎 分析员 SAC 执证编号：S0080521020001 SFC CE Ref：BRE806

法律声明