通信：AI超算引领光通信发展新阶段，800G光模块和光芯片投资价值几何？

通信 行业研究/“中国之光”系列报告 AI超算引领光通信发展新阶段，800G光模块和光芯片投资价值几何？ 报告日期：2023-06-26 行业评级：增持 行业指数与沪深300走势比较 46% 27% 9% -10%6/22 -29% 9/22 12/223/236/23 65% 通信沪深300 分析师：张天 执业证书号：S0010520110002邮箱：zhangtian@hazq.com 相关报告 1.中国之光系列（一）：Teslabot概念风起，问道机器人视觉感知技术进化史2022-05-23 2.ChatGPT持续催化，还有哪些投资机会？2023-02-27 主要观点： 光模块市场表现再创新高，AI超算将数据中心光通信发展带入新阶段。 截至20230625，Wind光模块指数今年以来累计上涨233%，在WindA股概念指数中表现第四，基本面预期强叠加流动性正向反馈带动不断上行的估值行情。AI服务器和数据中心作为“新物种”具有与通用服务器数据中心不同的特点，光模块市场增长不仅来自于AI数据中心的高价值量还来自网络设施价值占比的提升，此为本轮光模块行情演绎的底层逻辑。AMDMI300系列发布使用Infinity第四代GPU互联技术与NVLINK对标，并有望后续支持机柜级互 联。台积电有望在2024年将CoWoS月产能扩产为2万片，表明 HPC领域出货量预期强劲。 需求端投资主线已从龙头加单催化蔓延至二线补涨。 ChatGPT应用爆火后，国内外科技巨头纷纷加码算力投资，英伟达GPU出现供不应求，目前H100需求搭配InfiniBand以及NVLINK才能达到最好使用效能，配套交换机与光模块订单随之爆发，龙头光模块厂商已经历多次加单，业绩预期不断加强。2024光模块整体贝塔高景气下，二线厂商也有望充分受益。此外，随着国内GPU供应短缺逐步缓解，BBAT等数据中心投资或显著复苏，国内服务器、交换机厂商将迎来改善。 市场担心高端光芯片短缺出现“木桶效应”，对产业链投资带来哪些影响？ 1）我们对光模块产业链各环节进行了扩产分析，我们认为光模块厂商持续具备产能和交付优势，电芯片如Driver、DSP用量也显著提升，但产能或很快得到补充，光芯片2024上半年可能出现结构性供应偏紧，但预计可以在几个月内得到解决（整体扩产需要时间，美日IDM大厂可能进行产品线产能调配）。 2）美日IDM光芯片供应紧张可能蔓延至中低速率芯片，从而给已经通过验证的国产芯片公司打开市场创造机遇。此外自研自给光芯片的光模块公司在这种情形下也可能看到更好的市场机遇。 3）InP衬底、外延片可能成为光芯片扩产瓶颈最大的环节。在数通市场强劲增长下，InP衬底供给可能出现紧张，由于关键设备单晶炉调试需要时间，短期InP衬底价格可能上涨。此外，外延生长是25G以上光芯片关键工艺环节，全球25G以上芯片外延主要由IDM厂商自主实现，扩产设备采购后也需要时间精心调试。 4）AI市场带动高速光芯片放量，未来可能更加强化IDM聚焦高端、芯片设计+代工面向中低端和长尾市场的格局。我们认为出于工艺 Knowhow，高端光芯片份额还将长期掌握在IDM公司手中，而出于成本考量和快速出货能力，设计+代工或外延代工+后端IDM模式也将长期存在。 投资建议 1）800G光模块仍是AI算力产业链上最具投资价值的环节之一，确定性最高的环节，建议关注英伟达产业链和北美Top4主供厂商，如中际旭创、新易盛、天孚通信等；二线光模块厂商也有望滞后1至2个季度受益。 2）光芯片明年上半年可能出现结构性紧张，国产中低速率光芯片迎来市场机遇。长期来看，我们认为高端市场将掌握在IDM手中，建议关注IDM光芯片厂商业绩增速的提升以及高速产品突破，受益标的如源杰科技、长光华芯、仕佳光子、永鼎股份等。 3）拥有自研芯片的光模块公司面临更好的市场战略机遇，长期看光子集成技术重要性日益提升，受益标的为光迅科技、华工科技、华西股份。 4）全球光芯片扩产周期开启，其中InP/GaAs衬底供给集中，短期可能价格上涨，国内云南锗业、北京通美为重要供应商。此外外延片重要性提升，国内具备能力的有三安光电、海特高新等。 5）高密度光纤连接器、无源器件也将受益于数通市场高增长，部分品类弹性较高，建议关注太辰光、天孚通信、腾景科技、光库科技。 风险提示 市场对于GPU出货量和光模块配比预期过于乐观导致光模块出货量低于预期，高端光芯片供应瓶颈短期内无法缓解导致光模块出货量低于预期，北美云厂商资本开支不及预期，国内高端光芯片研发和量产进展不及预期。 正文目录 1800G光模块高预期下市场再创新高，市场投资主线延产业链不断蔓延5 2高速光芯片投资逻辑开始演绎7 3投资建议13 4风险提示13 图表目录 图表1英伟达GH200超算将256个GPU通过NVLINK连接成一个整体5 图表2AMD发布领先的AIGC算力加速芯片MI300X6 图表3AMD认为全球数据中心AI芯片市场将以50%CAGR增长6 图表4LIGHTCOUNTING的统计显示国内厂商在全球光模块前十已占据7席7 图表5全球光模块所用电芯片2022年已达16亿美金8 图表6LPO线性直驱方案各部件系统功能8 图表7YOLE在2022年的报告就预测2020-2026800GEEL光芯片（包括DFB、EML）的出货量（百万颗）CAGR 将达到204%8 图表8三菱电工光芯片产品系列9 图表9INP衬底市场规模10 图表102020INP衬底主要供应商格局10 图表1125G激光器芯片生产流程10 图表12全球2.5G及以下DFB/FP芯片市场份额11 图表13全球10GDFB激光器芯片市场份额11 图表14某品牌400GQSFP-DDDR4光模块使用的部分无源器件12 图表15英伟达OSFP交换机端口互联需要使用两根MPO跳线12 1800G光模块高预期下市场再创新高，市场投资主线延产业链不断蔓延 光模块再创新高，高速光连接成为英伟达超级计算机重要组成部分，AI超算作为“新物种”将数据中心光通信带入新发展阶段。截至20230625，Wind光模块 （8841258.wi）指数今年以来已累计上涨233%，在WindA股概念指数中表现第4，光通信指数（866131.wi）则在Wind主题指数中排名第1。我们看到光模块指数今年6月以来换手率达165%，关注度持续高位，基本面预期、流动性活跃共振带动不断上行的估值行情。 根据英伟达H100superpod网络白皮书，在127个服务器节点的网络中，平均每块GPU需要配置2个800G光模块（或短距部分使用AOC/DAC/ACC）加0.64个400G光模块（存储网络）；实际部署当中，动辄几千卡以上的网络规模的部署或需要三层交换机，光模块用量更多。 在英伟达最新发布的GH200超算中，英伟达通过第四代NVLINK技术将256个GraceHopper采用胖树架构全互联，每个GPU均通过900GB的双向带宽（约3.6Tb单向带宽）与其他GPU互联，从而形成了可共享144TB显存的超级计算机。这一通讯技术的巨大突破解决了单一服务器内GPU卡数的限制，从而将限制大模型参数扩大、并行训练等瓶颈因素的显存容量和一致性问题解决。根据英伟达GH200技术博客描述，GH200使用了800G光模块连接NVLINKL1层和L2层交换机，当节点数为256个以内时，平均每个GPU需要9个光模块，而当节点数扩张，还需要InfiniBand网络的部署做集群间互联，光模块整体用量达到13个。 我们认为，为了解决日益增长的AIGC算力需求和摩尔定律演进放缓的矛盾，并行计算将是重要途径，超算的设计理念即如英伟达CEO黄仁勋所述，“datacenterisacomputer”，将算力逻辑上打造为一个整体，并使用高速高密度通信技术解决部件物理上的互联。因此，AI服务器和数据中心作为“新物种”具有与通用服务器数据中心不同的特点，光模块的市场增长不仅来自于AI数据中心价值的高价值量还来自网络设施价值量占比的提升，这是本轮光模块行情演绎的底层逻辑，与此前云计算快速发展、线上经济爆发带来的需求扩张逻辑不同的。 图表1英伟达GH200超算将256个GPU通过NVLINK连接成一个整体 资料来源：台北computex电脑展英伟达演讲，英伟达官网，华安证券研究所 AMDMI300发布&台积电CoWoS扩产强化逻辑、增强预期。6月14日，AMD正式发布新一代面向AI和HPC的旗舰产品——InstinctMI300系列。MI300系列使用了更大的HBM内存，且GPU与CPU共享内存，在单卡上就可运行400亿参数大模型，在单卡单服务器工作负载上较H100显示出更大优势。网络方面，MI300系列使用Infinity第四代技术带来896GB通信带宽，与NVLINKGen4对标，虽然Infinity暂时没有将GPU互联能力扩展至单机外，但其后向或支持CXL3.0，而CXL3.0最大亮点是将内存池共享到整个机柜内。目前MI300Instinct服务器平台或也设计了4个800G网络端口，目前800G光模块配置与H100类似，未来若支持机柜级互联或需求更大。 图表2AMD发布领先的AIGC算力加速芯片MI300X图表3AMD认为全球数据中心AI芯片市场将以50% CAGR增长 资料来源：芯智讯，华安证券研究所资料来源：芯智讯，华安证券研究所 根据集微网报道，据大摩所做产业调查，台积电已将CoWoS产能从月1万片扩产为1.2万，英伟达约占此产能的40%-50%；而凯基投顾进一步预测，台积电CoWoS月产能2024年中达1.6万片，2024年底将达2万片。我们假设台积电 CoWoS月产能2024年平均为1.6万片，平均每片可封装成30颗GPU，英伟达占用了该产能的60%，则2024英伟达A+H系列GPU出货量或达到346万。根据我们此前搭建的H100GPU光模块模型，假设H100系列占比60%，仅H100销售带来的英伟达网络搭售或用户自行组网对于800G光模块的需求或达400万以上。 需求端投资逻辑演绎已从龙头加单催化蔓延至二线补涨，同时供给端产业链“木桶效应”引发关注。我们看到在年初chatGPT引起巨大轰动后，国内外科技巨头纷纷加码算力投资，英伟达GPU出现供不应求现象，目前H100需要搭配InfiniBand以及NVLINK才能达到最好的使用效能，英伟达的交换机与光模块订单也随之爆发。目前，业内对于2024年GPU需求展望乐观，英伟达以及谷歌等AI巨头也需要提前给出“备产指引”，龙头厂商已经历多次加单，业绩预期不断加强。与此同时，我们认为一方面下半年亚马逊、Meta等科技巨头也会有所动作给出算力部署规划，另外一方面主流交换机厂商也纷纷推出800G高端机型以满足AIGC场景，2024光模块整体贝塔高景气下，二线厂商也有望充分受益。此外，Q3后国内GPU供应短缺有望逐步缓解，BBAT等数据中心投资或显著复苏，国内服务器、交换机厂商业绩将显著改善。 2高速光芯片投资逻辑开始演绎 与此同时，市场担心光模块供应链出现“木桶效应”，如100GEML高速光芯片主供厂商为IDM模式，扩产周期慢，从而造成瓶颈。我们结论有三，首先我们认为高速光芯片明年上半年或出现结构性供应紧张情况，但会在短期内缓解，因此800G光模块放量逻辑不会受到根本性破坏；其次高速光芯片供应紧张或演绎为国内中低端芯片抢占市场的好时机；最后，光芯片扩产明年或成为普遍现象，InP衬底和外延环节最为关键。以下我们对产业链每个环节分别进行分析。 首先，H100、TPU等对光模块有直接拉动效应，且国内800G光模块厂商具有产能和交付优势。在英伟达和北美Top4云产业链中，光模块是国内厂商能够直接参与并且也比较关键的环节。从市场空间上讲，AI服务器渗透率提升、GPU光模块用量提升、GPU集群规模提升共同驱动光模块市场规模快速增长。从竞争格局来说，