AI浪潮奔涌，CPO等光技术持续演进

行业研究|深度报告 看好（维持） AI浪潮奔涌，CPO等光技术持续演进 电子行业 国家/地区中国 行业电子行业 报告发布日期2023年05月30日 核心观点 事件：ChatGPT风靡全球，英伟达创始人兼CEO黄仁勋提出AI迎来“iPhone时刻”，算力、网络设备和光模块等领域有望迎来快速发展。受益于此，英伟达、博 通和Marvell等厂商股价大涨。Marvell近期预计2024财年AI相关产品营收同比至少倍增，并在未来几年持续迅速成长。 光芯片前景广阔，集成趋势下硅光芯片有望异军突起。在AI算力高弹性、国产化进程持续推进、下游模块厂商海外业务拓展等的共同催化下，光芯片领域发展前景广阔，国产替代正当时。产业多种光芯片方案快速推进，DFB、EML等传统光芯片在稳定性和低成本方面不断发力。未来光芯片顺应集成化规律，向硅光芯片集成高速光引擎的发展趋势是目前行业共识，硅光芯片凭借低成本、高性能的优势亦有望成为更优解决方案。此外，立讯精密、长电科技等消费电子/半导体公司入局光模块/芯片赛道，有望将成熟技术应用到光芯片产业链，进一步降本增效促进行业发展。 CPO和LPO封装方案有望逐步成熟落地。CPO方案是通过在交换机光电共封装起到降低成本、降低功耗的目的。CPO是长期来看在实现高集成度、低功耗、低成本以及未来超高速率模块应用方面是综合最优的封装方案。LPO短距离、低功耗、低时延等特性适配AI计算中心。由于可以直接应用于目前成熟的光模块供应链，在高线性度TIA/Driver厂商大力推动下或可快速落地。 “相干下沉”空间可期，薄膜铌酸锂调制器有望借势破局。随着光模块速率的不断提升，直接探测方案的传输距离将受到限制，相干探测凭借着高容量、高信噪比等优势得到广泛应用，预计未来相干光链路的用量将迎来高速增长。薄膜铌酸锂是超高速数据中心和相干光传输的核心光器件，具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生产且与CMOS工艺兼容等优点，是未来高速光互连极具竞争力的解决方案。 投资建议与投资标的 AI算力需求增长趋势确定，预计直接提升高速率光模块产业链市场增量，光芯片作为光模块的核心器件有望深度受益，我们看好其在国产替代和技术创新趋势下的表 现。光赛道技术领先的供应商直接受益于市场增量，对于产业发展趋势更具话语权。1）光芯片领域有较强国产替代预期，建议关注源杰科技、华工科技、长光华芯、华西股份；2）薄膜铌酸锂调制器芯片作为一种新的光电调制方式，有望成为高速光互联更优解决方案，建议关注福晶科技；3）MicroTEC是目前高速率光通信领 域实现精准控温的优质方案，建议关注富信科技。 风险提示 行业竞争加剧；下游需求不及预期；扩产进度不及预期；渠道调研的局限性。 蒯剑021-63325888*8514 kuaijian@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860514050005香港证监会牌照：BPT856 李庭旭litingxu@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860522090002 杨宇轩yangyuxuan@orientsec.com.cn韩潇锐hanxiaorui@orientsec.com.cn张释文zhangshiwen@orientsec.com.cn薛宏伟xuehongwei@orientsec.com.cn AI刺激持续，国产化进程加速2023-05-28 算力需求提升，光芯片正扬帆2023-03-26 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 目录 AI迎来“iPhone时刻”，光技术持续演进4 1CPO是光通讯实现光电转换的长期路径8 2LPO是短中期极具性价比的过渡方案11 3硅光集成趋势下光引擎地位凸显13 4“相干下沉”+相干光链路空间可期15 5薄膜铌酸锂调制器有望借势破局16 6投资建议18 风险提示18 图表目录 图1：ChatGPT成为史上增速最快的消费级应用之一4 图2：AI应用预计推动国际科技巨头业绩增长4 图3：光芯片产业链上下游4 图4：光模块与光器件成本组成4 图5：全球数据规模（ZB）5 图6：Top5云厂商以太网光模块市场规模（百万美元）5 图7：2018-2027E光芯片占光模块市场比重6 图8：2019-2024E中国光芯片占全球市场份额6 图9：2021年光芯片国产替代率6 图10：光模块全球前十生产商7 图11：光芯片种类不断升级迭代7 图12：从可插拔光模块向CPO发展的路径8 图13：CPO技术路线8 图14：中国计算机互连技术联盟CPO及Chiplet标准8 图15：800G及1.6T光模块/光引擎与AOC出货（万件）9 图16：CPO与数据中心网络架构优化路径9 图17：TEC半导体制冷器工作原理10 图18：TEC半导体制冷器外形特征10 图19：光电封装发展路径11 图20：400GZR光模块能耗占比11 图21：线性直驱路线在各材料方案中具备功耗优势（pJ/Bit）11 图22：光模块方案参数对比11 图23：Intel硅光模块样品示意图13 图24：博创科技400G硅光模块结构图13 图25：核心硅光芯片器件14 图26：硅光芯片集成光引擎结构图14 图27：相干传输系统结构图15 图28：400G相干光模块互通标准的发展演化15 图29：电光调制器三种材料方案对比16 图30：薄膜铌酸锂调制器芯片横截面结构图16 图31：富士通薄膜铌酸锂调制器较体材料铌酸锂产品尺寸缩小60%16 图32：铌酸锂薄膜图形化技术路线17 图33：全球铌酸锂调制器市场主要参与者17 AI迎来“iPhone时刻”，光技术持续演进 AI未来已来，算力、网络设备和光模块等领域率先受益。2022年11月底，OpenAI发布聊天机器人ChatGPT，仅用5天用户破百万，2个月活跃用户破亿，成为史上增速最快的消费级应用之一。2023年3月，英伟达召开的GTC开发者大会犹如“深水炸弹”，创始人兼CEO黄仁勋提出的全新概念：我们正处于AI的“iPhone时刻”。目前AI正在迎来爆发式增长，将成为数十年来最有前途的技术领域之一，并将驱动算力、网络设备和光模块等领域的极大发展。受益于此，博通和Marvell等网络与通信芯片巨头的股价均迎来大幅上涨。博通表示23年用于生成式AI业务的以太网设备销售额将从2亿美元上升到超8亿美元；Marvell也于近期表示AI已成为关键成长动能，预估2024财年AI相关产品营收至少较2023年度呈现倍增，并在未来几年持续迅速成长。 图1：ChatGPT成为史上增速最快的消费级应用之一图2：AI应用预计推动国际科技巨头业绩增长 厂商 AI推动业绩增长 英伟达 生成式AI推动第二季销量大涨64％，正快速扩产应对急速上升的市场需求 博通 23年用于生成式AI业务的以太网设备销售额将从2亿美元上升到超8亿美元 Marvell 预估2024年度AI相关产品营收至少较2023年度呈现倍增 数据来源：Statista、东方证券研究所数据来源：英伟达、科创板日报、东方证券研究所整理 高速率光技术持续演进。作为AI算力的核心器件，光模块及其配套芯片持续迭代：1）CPO、LPO等先进封装技术在降低光模块成本及功耗上作用显著，中际旭创、新易盛等光模块厂商率先布局；2）EML、硅光和薄膜铌酸锂等光芯片不断升级来适配高速率场景应用，源杰科技、长光华芯和光库科技等厂商不断突破芯片技术瓶颈。光芯片作为光模块中最核心的部件（光器件占光模块成本的73%，光芯片占光器件成本的81%），拥有更大的附加价值量弹性和国产替代预期，在产业链中地位尤其重要，光芯片厂商亦有望在AI浪潮中持续受益。 图3：光芯片产业链上下游图4：光模块与光器件成本组成 数据来源：东方证券研究所整理数据来源：亿渡数据、东方证券研究所 光芯片三重逻辑共振：1）AI算力高弹性；2）国产替代预期；3）下游模块厂商出海加持。在AI算力需求拉动下光模块向更高速率演进，光芯片作为光模块核心器件有望深度受益；中国光芯片市场规模持续增加，国产化进程有望持续迈进；国内下游模块厂商海外业务不断拓展，光芯片可以跟随光模块出海，有望应用到谷歌、微软等海外互联网大厂。在前沿光通信技术发展和高算力需求的共同催化下，将有力推动光芯片的技术升级和更新换代，硅光芯片、薄膜铌酸锂调制器芯片等有望成为更优解决方案。 1）算力需求带动高速率光模块市场量价齐升。全球数据规模随着AIGC的发展预计增速会持续提升，数据中心高速率光模块市场相应将获得较大增量市场。根据中国计算机互连技术联盟 （CCITA）CPO标准及草根调研数据，云计算通用服务器所属叶脊架构的交叉互联网络中上行、下行端口收敛比约为3:1，1台服务器约需要4-6个光模块，整体平均单价在1美金/GB左右；而AI服务器所用的A100、H100等GPU，需用200G以上的高速率光模块8-10个/片。根据LightCounting的统计，全球Top5云厂商以太网光模块市场体现出对高速率光模块的偏好。2023年800G光模块需求预计将进一步替代较低速率光模块的份额，整体高速率光模块用量和规格不断提升，呈量价齐升之势。 图5：全球数据规模（ZB）图6：Top5云厂商以太网光模块市场规模（百万美元） 40G100G200G400G800G 2000 1500 1000 500 0 数据来源：应用材料、东方证券研究所数据来源：LightCounting、东方证券研究所 光芯片是光模块的核心器件，附加价值量弹性更大。根据LightCounting数据测算，光芯片占光模块市场比重从2018年约15%的水平到2025以后超过25%的水平，光芯片有望深度受益。相对于光模块和器件，光芯片具有更大的附加价值量弹性，其成本占比分布在低端器件、中端器件、高端器件上的数据逐级提升，大约分别为20%、50%、70%。随着通讯、AI等产业对高性能光模块的需求快速增长，光芯片将呈现量价齐升的增长趋势。 图7：2018-2027E光芯片占光模块市场比重 光芯片占光模块市场比重 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 20182019202020212022E2023E2024E2025E2026E2027E 数据来源：LightCounting、东方证券研究所 2）中国光芯片市场规模持续增加，光芯片国产替代正当时。根据ICC预测，2019-2024年，中国光芯片厂商销售规模占全球光芯片市场的比例将不断提升。目前，我国光芯片企业已基本掌握2.5G及以下速率光芯片的核心技术；部分10G光芯片产品性能要求较高、难度较大，如10GVCSEL/EML激光器芯片等，国产化率不到40%；25G及以上光芯片方面，随着5G建设推进，我国光芯片厂商在应用于5G基站前传光模块的25GDFB激光器芯片有所突破，数据中心市场光模块企业开始逐步使用国产厂商的25GDFB激光器芯片，2021年25G光芯片的国产化率约20%， 但25G以上光芯片的国产化率仍较低，约为5%，目前仍以海外光芯片厂商为主。 图8：2019-2024E中国光芯片占全球市场份额图9：2021年光芯片国产替代率 100% 80% 60% 40% 20% 0% 25G以上25G10G2.5G以下 201920202021E2022E2023E2024E 光芯片分类 国产替代率 10G 10GVCSEL/EML等芯片难度较大，不足40% 25G 20% 25G以上 5% 数据来源：ModorIntelligence、东方证券研究所数据来源：源杰科技招股书、东方证券研究所 3）光芯片可以跟随光模块出海，有望应用到海外大厂的AI服务器及数据中心当中。海外光芯片企业已形成产业闭环和高行业壁垒，可自主完成芯片设计、晶圆外延等关键工序，可量产25G及以上速率的光芯片。部分中国光