人工智能行业专题：光芯片，AI时代“芯”核心

人工智能专题研究 光芯片——AI时代“芯”核心 西南证券研究发展中心通信研究团队2023年7月 核心要点 AI全球竞赛持续演绎，算力成为AI时代主引擎。随着Chatgpt带来的人工智能热潮，全球互联网厂商纷纷逐浪AI。AI的底层基础便是算力，算力支撑着算法和数据，亦决定AI的训练和推理进程。站在全球视角，全球算力保持高速稳定增长态势，2021年全球计算设备算力总规模达到615EFlops，增速达到44%。据华为GIV预测，2030年人类有望迎来YB数据时代，全球算力规模达到56ZFLOPS。站在中国视角，2021年我国算力总规模达到202EFlops，保持50%以上的高位增长。 光芯片为光通信核心器件，国产替代空间广阔。AI大模型的搭建离不开底层基础设施的建设，光模块作为高性能计算网络核心部件需求率先爆发。光芯片作为光模块的基础部件，其性能直接决定了光通信系统的传输效率，有望与800G光模块迎来高景气共振。从市场竞争格局来看，2.5G及以下光芯片市场中，国内光芯片企业占据主要市场份额；但25G以上高速光芯片的国产化率仍较低（2021年约为20%），高端市场基本被美国、日本公司垄断，先发优势显著。近年来，以源杰科技为首的国内光芯片厂商大刀阔斧，技术上取得较大突破。随着800G、1.6T升级周期加速，高速率光芯片需求高速增长，海外产能受限或将加速国产替代进程。 复盘海外龙头成长之路，横纵发展或成未来进阶方向。通过复盘海外光通信龙头Lumentum和II-VI的成长之路，我们发现海外龙头有以下两个进阶特点：1）多次进行收购，产业链纵向延伸，一体化降本增效优势显著；2）产品品类横向扩张，下游应用领域多点开花，抵御单一产品需求周期性风险。国内厂商通常专注于细分赛道精细化发展，深度绑定优质客户。长期来看，我们看好技术积累深厚、有望实现横向扩张、纵向延伸的光芯片企业。 相关标的：源杰科技、长光华芯、光迅科技、仕佳光子等。 风险提示：AI技术更新迭代缓慢、专业领域落地效果不及预期、市场开拓不及预期等风险。 1 目录 1光芯片——AI浪潮下算力基座 1.1光芯片基本概念 1.2光芯片技术原理 1.3光芯片原材料 1.4光芯片生产流程 2国产替代空间广阔，下游应用多点开花 3复盘海外龙头成长路径 4国内重点公司梳理 1.5未来技术方向 2 光通信产业链 1.1光芯片基本概念 光芯片系实现光电信号转换的基础元件，其性能直接决定了光通信系统的传输效率。光通信是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，通过电光转换，以光信号进行传输信息的系统。光通信系统传输信号过程中，发射端通过激光器芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端，接收端通过探测器芯片进行光电转换，将光信号转换为电信号。光纤接入、4G/5G移动通信网络和数据中心等网络系统里，光芯片都是决定信息传输速度和网络可靠性的关键。 从光通信产业链来看，光芯片处于光通信的上游，光芯片可以与电芯片、PCB、结构件、套管进一步组装加工成光电子器件，再集成到光通信设 备的收发模块实现广泛应用，光通信下游的主要应用领域为电信运营商 以及云计算数据厂商等。 光电子器件示意图 光通信运行原理 信息来源：源杰科技招股说明书，西南证券整理3 1.1光芯片基本概念 光芯片按功能分类：分为激光器芯片和探测器芯片，其中激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，探测器芯片主要用 于接收信号，将光信号转化为电信号。激光器芯片，按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片，面发射芯片包括VCSEL芯片，边发射芯片包括FP、DFB和EML芯片；探测器芯片，主要有PIN和APD两类。 类型 产品类别 工作波长 产品特性 应用场景 传输速率 传输距离 材料 激光器芯片 VCSEL（面发射） 800-900nm 线宽窄，功耗低，调制速率高，耦合效率高，传输距离短，线性度差 500米以内短距离传输 155M-25G 500m GaAs FP（边发射） 1310-1550nm 调制速率高，成本低，耦合效率低，线性度差 中低速无线接入短距离 155M-10G 20km InP DFB（边发射） 1270-1610nm 谱线窄，调制速率高，波长稳定，耦合效率低 中长距离传输 2.5M-40G 40km EML（边发射） 1270-1610nm 调制频率高，稳定性好，传输距离长成本高 长距离传输 大于10G 大于40km 探测器芯片 PIN 830-860 /1100-1600nm 噪声小，工作电压低，成本低，灵敏度低 中长距离传输 155M-10G 小于40km Si/Ge/InP APD 1270-1610nm 灵敏度高，成本高 长距离单模光纤 1.25G-10G 长距离 信息来源：源杰科技招股说明书，西南证券整理4 激光器芯片：电转光。原理是以电激励源方式，以半导体材料为增益介质，将注入电流的电能激发，通过光学谐振放大选模，从而输出激光，实现电光转换。增益介质与衬底主要为掺杂III-V族化合物的半导体材料，如GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）、Si（硅基）等。 按照谐振腔制造工艺差异，激光器光芯片可分为边发射激光器芯片（EEL）与面发射激光器芯片（VCSEL）两类。EEL在芯片两侧镀光学膜形成谐振腔，光子经谐振腔选模放大后，将沿平行于衬底表面的方向形成激光；VCSEL在芯片上下两面镀光学膜形成谐振腔，由于谐振腔与衬底垂直，光子经选模放大后将垂直于芯片表面形成激光。 EEL又细分为FP、DFB和EML。FP、DFB为独立器件，通过控制电流的有无来调制信息输出激光，被称为直接调制激光器芯片(DML)。FP激光器诞生较早，主要用于低速率短距离传输；DFB在FP激光器的基础上采用光栅滤光器件实现单纵模输出，主要用于高速中长距离传输。DML通过调制注入电流来实现信号调制，注入电流的大小会改变激光器有源区的折射率，造成波长漂移从而产生色散，限制了传输距离；同时DML带宽有限，调制电流大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。EML缓解了色散问题，由EAM电吸收调制器与DFB激光器集成，信号传输质量高，易实现高速率长距离的传输。 1.2光芯片技术原理 EEL&VCSEL技术区别 DFB在FP基础上采用光栅滤光器件 EEL细分技术 EML=DFB+EA 信息来源：光通信女人，西南证券整理5 1.2光芯片技术原理 探测器芯片：光转电。原理是通过光电效应识别光信号，转化为电信号。光电效应是指在光照下，材料中的电子吸收光子的能量，若吸收的能量超过材料的逸出功，电子将逸出材料形成光电子，同时产生一个带正电的空穴。 探测器芯片又主要分为PIN和APD。PIN主要工作原理分为两个步骤：1.光子照射在半导体材料上产生光生载流子；2.光电流在外部电路作用下形成电信号并输出。APD光电二极管与PIN的区别在于在基础结构中增加了雪崩区，使得光生载流子在雪崩区内的碰撞电离效应激发出新的电子-空穴对，新产生的载流子通过电场加速，导致更多的碰撞电离产生，从而获得光生电流的雪崩倍增。因此APD具有功率大、效率高的优点，缺点在于噪声较大。 PIN探测器结构 APD探测器结构 信息来源：光通信女人，西南证券整理6 1.3光芯片材料对比 光芯片的原材料主要为半导体材料，半导体材料主要有三类，包括：单元素半导体材料、III-V族化合物半导体材料、宽禁带半导体。通常采用三五族化合物磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)作为芯片的衬底材料，相关材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符合高频通信的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。其中，磷化铟(InP)衬底用于制作FP、DFB、EML边发射激光器芯片和PIN、APD探测器芯片，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输；砷化镓(GaAs)衬底用于制作VCSEL面发射激光器芯片，主要应用于数据中心短距离传输、3D感测等领域。 分类 细分 应用领域 优势 应用场景 单元素半导体材料 硅（Si） 先进制程芯片 储量大、价格便宜 •CPU、内存 •硅基半导体材料目前产能最大、成本最低应用最广 锗（Ge） 空间卫星 电子迁移率、空穴迁移率高 •空间卫星太阳能电池面板 III-V族化合物半导体材料（芯片的衬底材料，是目前仅次于硅之外最成熟的半导体材料） 砷化镓（GaAs） LED、显示器、射频模组 光电性能好、耐热、抗辐射 •手机、电脑射频器件、面部识别、大功率半导体激光器、新一代显示 磷化铟（InP） 光通信 导热性好、光电转换效率高、光纤传输效率高 •5G基站光模块、数据中心光模块、激光 雷达、可穿戴设备 宽禁带半导体（成本较高） 氮化镓（GaN） 充电器、高铁 高频、耐高温、大功率 •快速充电芯片、高铁芯片 碳化硅（SiC） 电动汽车 •新能源汽车、充电桩 信息来源：北京通美招股说明书，西南证券整理7 衬底相关企业 1.4光芯片生产流程 相较于Fabless模式，IDM模式是光芯片行业主流方向。逻辑芯片新晋厂商多采用Fabless模式，以此减少资本开支。IDM模式是解决高端光芯片技术及量产瓶颈的最佳生产模式，能够缩短产品开发周期，实现光芯片制造的自主可控，快速响应客户并高效提供解决方案，迅速应对动态市场需求。通过IDM模式，公司能够掌握从设计转化到生产制造的纵向生产链各环节，从而有效控制生产良率、周期交付、产品迭代与风险管控等多个方面。光芯片的生产工序依序为MOCVD外延生长、光栅工艺、光波导制作、金属化工艺、端面镀膜、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证等，其制备流程同样包含了外延、光刻、刻蚀、芯片封测等环节。 衬底价值量最高（原材料成本1/3以上），主要指InP/GaAs等材料经提纯、拉晶、切割、抛光、研磨制成单晶体衬底即基板，这是光芯片规模制造的第一个重要环节。基板制造的技术关键是提纯，当前能实现高纯度单晶体衬底批量生产的全球仅有几家企业，均为海外企业。外延技术壁垒最高，生产企业用基板和有机金属气体在MOCVD/MBE设备里长晶，制成外延片。外延片是决定光芯片性能的关键一环，生成条件较为严苛，因此是光芯片行业技术壁全最高环节。成熟技术工艺主要集中于中国台湾以及美日企业，国内企业量产能力相对有限。 光芯片生产工序 SiGeInPGaAsInGaAs 衬底 信息来源：源杰科技招股说明书，西南证券整理8 1.5未来技术方向——硅光技术 传统光模块：可调制、接收光信号，包含光发射组件、光接受组件、光芯片等器件，在磷化铟基底上利用封装技术进行集成。 硅光光模块：采用硅光子技术的光模块。硅光技术是在硅和硅基衬底材料（如Si,SiGe,SOI等）上，利用CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，其核心理念用激光束代替电子信号进行数据传输。逐渐从光子集成向光电集成发展，目前通信领域主要是光子集成的硅光模块。 硅光模块最大特点高度集成。硅光芯片通过硅晶圆技术，在硅基上制备调制器，接收器等器件，从而实现调制器、接收器、无源光学器件的高度集成。 传统光模块 硅光光模块 硅光芯片 信息来源：《硅光模块介绍：硅光模块产业链介绍》，ICCSZ，西南证券整理9 1.5未来技术方向——硅光技术 与传统光模块相比，硅光模块存在成本低、工艺精度高、产业链成熟三大优势。 成本低：硅光芯片的衬底价格更低低，其中Si衬底价格最低，为0.2$/𝑐𝑚2，而InP衬底价格为4.55$/𝑐𝑚2，是Si衬底价格的20多倍。在功能晶圆价格方面，硅光芯片价格下降更为明显。另外，传统InP光模块由于良率低、固定开支成本等原因导致其成本进一步上升。 工艺精度高、良率高：硅光芯片工艺精度可达65-250nm，传统光模块工艺精度最多达到300nm。硅光芯片良率大于80%，而 传统光芯片良率不足40%。 产业链成熟：硅光模块可使用目前较为成熟的CMO