通信设备行业研究系列一：光模块行业需求高增，积极关注新技术变化

证券研究报告/行业研究 光模块行业需求高增，积极关注新技术变化 ——通信设备行业研究系列一 投资评级：看好 分析师：吴起涤执业登记编号：A0190523020001wuqidi@yd.com.cn 通信设备指数与沪深300指数走势对比 60%40%20% 0% -20%-40% 2022/082023/012023/06 000300.SH801102.SI 资料来源：同花顺iFinD，源达信息证券研究所 相关报告： 1.《人工智能专题研究系列一：大 模型推动各行业AI应用渗透》2023.08.02 2.《人工智能专题研究系列二：AI大模型开展算力竞赛，打开AI芯 片、光模块和光芯片需求缺口》2023.08.03 投资要点 光模块是数据传输核心器件，主要下游是电信和数通行业 光模块的功能是实现光电转换，是光通信系统的核心器件。目前光模块的两大下游应用行业是电信行业和数通行业：1）在电信行业中首先千兆光纤网络升级推动10GPON端口建设。根据工信部数据，2023年上半年全国具备千兆网络传输能力的10GPON端口数达2029万个，同比增加1016万个，将显著增加光模块需求。而在移动通信中5G网络的前传、中传和回传都需要用到光模块。2）在数通行业中，AI大模型发展会显著推动算力基础设施建设，增加对光模块的海量需求。 AI高算力需求推动高速网络架构建设，打开光模块需求 AI大模型算力呈指数级增长趋势，需要高算力基础设施相匹配。同时AI大模型中东西向流量大幅增加，更适配叶脊网络架构，将会显著增加400G/800G等高端光模块的用量。以NvidiaDGXH100网络架构为例，一个4-SU单元的NvidiaDGXH100网络架构中GPU、800G光模块和400G光模块的用量比约是1：1.5：1。 高带宽、短距离传输场景增加，新技术在多方面更具优势 AI大模型中数据传输的特点是数据量大、传输速度快，同时高带宽、短距离传输场景增加。传统可插拔光模块在迭代至1.6T后可能遇到瓶颈，出现能耗高、体积大等问题。目前光模块领域的新技术有CPO、LPO和硅光模块等。 国产光模块企业在全球占主导地位，并积极布局新技术 根据LightCounting数据，2022年全球光模块企业TOP10中中国企业已占据7席，同时中际旭创等企业已实现800G高速光模块批量出货。考虑到CPO等技术会给格局带来的颠覆性，目前国产企业均在积极布局相关领域技术产品。 投资建议 目前光模块环节是国产参与度最高的板块之一，国内企业将充分受益行业需求增长。同时考虑到CPO、LPO等技术在未来可能给行业格局带来的影响，建议关注：中际旭创、新易盛和光迅科技等。 风险提示 千兆光纤升级进展不及预取；AI商业化推进不及预期；中美贸易摩擦加剧；新技术推进不及预期。 。 请阅读最后评级说明和重要声明 目录 一、光模块：数据传输核心部件，两大下游推动增长3 二、电信行业：千兆光纤升级推动10GPON端口建设4 三、数据中心：AI数据中心建设打开高速光模块需求5 四、新技术：积极关注具有变革性的新技术8 1.CPO（光电共封装）8 2.LPO（线性驱动-可插拔光模块）9 3.硅光模块10 五、市场格局：国产光模块厂商在全球占主导地位10 六、投资建议12 七、风险提示13 图表目录 图1：光模块的功能是实现光电转换3 图2：光芯片是光模块的核心部件3 图3：电信和数通行业是光模块的两大下游3 图4：预计2023年全球光模块市场规模大致在50亿美元4 图5：2023年6月千兆网络用户达1.28亿户4 图6：10GPON端口进入规模建设期4 图7：预计2023全球移动电信光模块市场为28亿美元5 图8：5G网络对光模块需求大5 图9：5G网络对光模块需求大5 图10：AI大模型中东西向流量显著增加6 图11：叶脊网络架构适用于东西向流量传输6 图12：NvidiaDGXH100架构将增加高速光模块需求7 图13：CPO将光集成电路（PIC）和计算芯片（EIC）集成在同一个封装基板上8 图14：中国科学院微电子研究所设计的基于硅转接板的CPO结构中采用了多种先进封装工艺8 图15：LPO技术不再采用DSP芯片9 图16：LPO是功耗降低效果可观的折中方案9 图17：LPO和CPO在技术和工艺上仍不成熟9 图18：硅光技术将调制器和光探测器集成为硅光芯片（PIC）10 表1：叶脊网络架构对光模块数量需求大幅提升6 表2：NvidiaDGXH100架构所需GPU、交换机数量7 表3：2022年全球光模块企业TOP10国产厂商占有7席11 表4：部分国产厂商在CPO、LPO和硅光技术领域布局情况11 2 一、光模块：数据传输核心部件，两大下游推动增长 光模块的功能是实现光电转换，是光通信系统的核心器件。光模块在发射端（TOSA）通过激光器芯片将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端（ROSA），在接收端通过探测器芯片将光信号转换为电信号，实现信号传输。其中光芯片是决定光通信系统信号传输效率和网络可靠性的关键。按照功能光芯片可以分为激光器芯片（LD）和探测器芯片（PD）。 图1：光模块的功能是实现光电转换图2：光芯片是光模块的核心部件 资料来源：源杰科技招股说明书，源达信息证券研究所资料来源：源杰科技招股说明书，源达信息证券研究所 电信和数通行业是光模块的两大下游行业。光模块属于光电子器件，处于光通信产业链的中游。产业链的上游为电子元器件、PCB、光芯片、光有源器件、光无源器件、结构件等元器件；产业链的下游为电信设备制造商、数据通信设备制造商等光通信设备制造商，以及电信运营商、数据运营商及专网用户等。 图3：电信和数通行业是光模块的两大下游 资料来源：德科立招股说明书，源达信息证券研究所 光模块市场规模稳步增长，AI应用占比提升。根据LightCounting在2023年7月发布的预测报告，预计2023-2027年用于AI集群应用的光模块市场规模在176亿美元，占同期光模块整体市场的38%。其中2023年全球光模块市场规模大致在50亿美元。 图4：预计2023年全球光模块市场规模大致在50亿美元 资料来源：LightCounting，源达信息证券研究所 二、电信行业：千兆光纤升级推动10GPON端口建设 电信市场又可以细分为光纤接入和移动通信两个细分领域： 1）光纤接入领域：千兆光纤网络升级将持续拉高对光模块的需求。千兆光纤网络升级推动 10GPON端口建设。根据工信部数据，截至2023年6月，全国具备千兆网络传输能力的10GPON端口数达2029万个，同比增加1016万个。10GPON进入规模建设期，将带动光模块的需求增长。 图5：2023年6月千兆网络用户达1.28亿户图6：10GPON端口进入规模建设期 140 120 100 80 60 40 20 0 2500 2000 1500 1000 500 0 2029 202120222023H1 100% 1523 786 80% 60% 40% 20% 0% 10GPON端口数量（万）YOY（%） 资料来源：工信部，源达信息证券研究所资料来源：工信部，源达信息证券研究所 2）移动通信领域：5G网络包括前传、中传和回传。前传主要使用10G、25G光模块，中传主要使用50G、100G、200G光模块，回传主要使用100G、200G、400G光模块。根据源杰科技招股书转引的LightCounting数据，预计2023年全球电信侧光模块市场规模为28.59亿美元（不包含FTTx光纤市场）。 图7：预计2023全球移动电信光模块市场为28亿美元图8：5G网络对光模块需求大 40 30 20 10 0 2019202020212022202320242025 全球电信侧光模块市场规模（百万美元） YOY（%） 20% 15% 10% 5% 0% 资料来源：源杰科技招股说明书，源达信息证券研究所资料来源：德科立招股说明书，源达信息证券研究所 三、数据中心：AI数据中心建设打开高速光模块需求 AI大模型打开智能算力缺口。AI大模型训练运算量呈指数级增长趋势，根据OpenAI官网数据，AI模型的训练计算量约每年增长10倍，同时算力消耗约每年增长10倍。高算力需求需要与相应基础设施匹配，将会打开GPU和光模块的需求。 图9：5G网络对光模块需求大 资料来源：OpenAI，源达信息证券研究所 算力需要与高效传输架构相匹配。AI大模型通常由多个服务器作为节点，并通过高速网络架构组成集群合作完成模型训练。因此在模型中东西向流量（数据中心服务器间的传输流量） 大幅增加，而模型训练过程中南北向流量（客户端与服务器间的传输流量）较少，由于叶脊网络架构相较传统三层架构更适用于东西向流量传输，成为现代数据中心主流网络架构。 图10：AI大模型中东西向流量显著增加图11：叶脊网络架构适用于东西向流量传输 资料来源：华为云，源达信息证券研究所资料来源：鹅厂网事，源达信息证券研究所 叶脊网络架构大幅增加对光模块数量需求。由于叶脊网络架构中东西向流量大，因此服务器与交换机相连均需使用光模块，从而大幅增加对光模块数量需求。同时AI大模型的高流量对带宽提出更高要求，800G光模块相较200G/400G光模块具有高带宽、功耗低等优点，有望在AI大模型网络架构中渗透率提升。 表1：叶脊网络架构对光模块数量需求大幅提升 架构类型 传统三层架构 改进等三层架构 叶脊网络架构 光模块相对于机柜倍数 8.8 9.2 44/48 资料来源：中际旭创定向增发募集说明书，源达信息证券研究所 我们以NvidiaDGXH100网络架构为例。该架构适配NvidiaH100GPU，采用叶脊网络架构，分为1-4个SU单元类型（8个GPU组成一个H100服务器节点，32个服务器节点组成一个SU单元）。其中4-SU单元架构由127个服务器节点组成（其中一个节点用于安装UFM网络遥测装置），具有1016个H100GPU、32个叶交换机、16个脊交换机。 表2：NvidiaDGXH100架构所需GPU、交换机数量 资料来源：Nvidia，源达信息证券研究所 我们以NvidiaDGXH100架构为例测算GPU与光模块的对应数量。在4-SU的NvidiaDGXH100架构中，每32台服务器节点组成一个SU单元，并与8台叶交换机相连，因此服务器节点与叶交换机之间共有1024个连接（32×8×4）；32台叶交换机需分别与16台 脊交换机相连，因此叶交换机与脊交换机之间共有512个连接（32×16）； 在NvidiaDGXH100的目前方案中，脊-叶连接采用800G光模块，需要1024个800G光模块；叶-服务器连接中，每个服务器节点通过一个800G光模块与两台叶交换机向上连接，需要512个800G光模块（128×4），同时每台叶交换机通过一个400G光模块与一个服务器节点连接，需要1024个400G光模块（128×8）。综上计算得一个4-SU单元的DGXH100架构需要1016个GPU、1536个800G光模块、1024个400G光模块，GPU：800G光模块：400G光模块的比例约等于1：1.5：1。 图12：NvidiaDGXH100架构将增加高速光模块需求 资料来源：Nvidia，源达信息证券研究所 四、新技术：积极关注具有变革性的新技术 1.CPO（光电共封装） 目前光模块的主流是可插拔光模块。可插拔光模块将光模块安装在电路板边缘，因此电学互连走线较长，寄生效应明显，存在功耗大、信号有损耗等问题，在现在的高传输速率、大带宽发展趋势下缺点凸显。 共光电共封装（CPO）基于先进封装技术将光模块（PIC）和集成电路（EIC）异构集成在同一个封装基板上。CPO的优点是缩短了光信号输入和运算单元之间的电学互连长度，可以提高光模块和运算单元间的互连密度，并实现更低功耗，在高速数据传输