光模块系列深度（一）：光电之门，踏浪前行

AI驱动光模块下游景气度提振，行业“量增”逻辑确立 AI大模型引算力芯片供不应求，为高端光模块带来显著需求增益。根据我们的测算，2023年由英伟达A100/H100 GPU出货所引致的高速率光模块潜在需求或达20亿美元，而2024年这一潜在需求有望进一步提升至27亿美元左右。 数据流量、算力需求扩张推动数据中心规模增速进入上行周期。AIGC的发展驱动数据中心由云服务向“计算+存储”的职能转化，智算中心加速落地带动行业规模增速进入上行周期。 网络架构扁平化大幅提升数据中心光模块用量。东西向流量增长使得网络架构由传统三层向两层叶脊结构转化，光模块用量相对机柜的倍数由8.8倍大幅提升至44/48倍，带来需求边际改善。 5G网络建设进入“十四五”收官阶段，中传环节注入需求增益。2019年建设的5G网络主要依托4G进行非独立组网，中传的光模块需求未正式打开。2020年进入独立组网阶段，CU和DU的分离打开了中传市场。 高端产品加速渗透，行业“价升”趋势已来 数通市场200G/400G加速部署，800G进入小批量应用阶段，1.6T开发进行时。 头部光模块厂商已于2021、2022年陆续向北美云厂商送验800G产品，2024年将进入放量阶段，同时400G已于2023年进入规模部署阶段。 流量增长驱动5G加速向高速率光模块迭代。5G无线网侧的基站中，前传将从10G升级到25G；中传或以50G PAM4为主；在承载网的回传需求中，城域网将从10G/40G升级到100G，骨干网将从100G升级到400G，800G也将逐步渗透。 高速率光模块占比呈提升趋势，带动头部厂商盈利改善。目前200G/400G/800G光模块均价约200/400/1000美元/只，显著高于低速率产品售价，预计将带来头部光模块厂商毛利率改善。 “新封装+新材料+新技术”带来从0-1的投资机会 CPO目前尚处于从0-1的阶段，市场需求可期。CPO是高速率传输下减少尺寸、降低功耗、提高效率的重要方案。根据Yole预测，2022年CPO市场规模约3800万美元，预计2033年将达到26亿美元，CAGR达46%。 铌酸锂调制器在超高速互连场景下具有竞争力，行业壁垒高，标的具有稀缺性。 其主要用于100G至1.2T的长距骨干网相干通讯和单波100/200G的超高速数据中心上，在光通信向高速率发展的趋势下，需求弹性较高。 硅光凭借在成本/功耗方面的优势有望成为未来主流技术。Yole预测数通硅光模块的市场规模将由2021年1.51亿美元增长至2027年9.72亿美元，CAGR达36%。 核心受益标的：光模块龙头厂商。中际旭创、华工科技、光迅科技等；核心光器件供应商。光库科技、源杰科技、长光华芯等。 风险提示：光模块需求不及预期、云计算厂商资本开支不及预期、英伟达GPU出货不及预期等。 1、光模块景气度正逢周期拐点，五大因素筛选优质α 1.1、从下游市场现状推断光模块β进入上行周期 光模块的应用场景主要分为两大领域：4G/5G无线网络、固定宽带FTTX、传输与数通网络等为代表的电信领域；承载AR/VR、人工智能、元宇宙等应用的数据中心领域。这两大应用场景的规模增速是影响光模块需求景气度的核心指标。 （1）数据中心迎来周期向上拐点，把握一个特征两个趋势 数据中心作为数据存储和计算的中心，其在各个时期承载的主要功能有所差异。 自2000年以来全球数据中心先后从计算中心过渡到信息中心，再过渡至云计算中心，目前正由云中心向算力中心演变。数据中心产业整体发展周期呈现出“四中心三拐点”的特征，在AI算力的驱动下产业正迎来第三次上升拐点。 云计算中心阶段，光模块速率经历了由10G/25G向40G/100G的过渡。云数据中心不仅为客户提供管理服务，还提供计算和存储环境。其托管的不再是客户的设备，而是计算和带宽能力。2012-2019年的云中心阶段，全球数据中心产业市场规模CAGR为17%，相比信息中心阶段增速有所下降。这一阶段，光模块主流速率经历了由10G/25G向40G/100G的过渡，2012年北美市场以10G为主。2014年开始步入40G，2016年100G开始规模化应用。 算力中心阶段，光模块速率开始向400G/800G过渡，目前已有不少龙头厂商开始研发1.6T系列。2019年以来，数据中心产业开始步入算力中心阶段。AI、物联网、大数据等新数字技术的加速发展显著驱动了数据云存储及智能算力需求的增长，2019-2022年CAGR约为20%。2021年光模块厂商下游客户开始对800G产品进行验证测试，2022年实现批量应用。2023年以来包括中际旭创在内的多家龙头厂商开始加码1.6T系列的研发。 图1：近20年全球数据中心行业发展呈现“四中心三拐点”的特征 我国数据中心产业起步相对北美较晚，体现在光模块应用端层面，性能相对北美同期较为落后。目前我国数据中心产业处于云中心深化阶段，落后美国3-5年，仍处于增长阶段，预计“十四五”期间CAGR维持25%左右。2021年在数字经济、“东数西算”的推动下，行业增速出现向上拐点。2023年以来行业发展夹杂多重因素的影响，一方面“东数西算”对PUE、上架率等指标约束愈发趋严，另一方面AI的崛起引致算力需求大幅扩张，预计“十四五”期间行业整体增速维持高企。 自2020年起，我国数据中心开始步入算力中心阶段，三大运营商资本开支由5G网络向算力网络倾斜。2022年ChatGPT开启AIGC这一全新业态，推动AI发展进入以多模态和大模型为特色的AI2.0时代，需求向“云计算大型、超大型IDC+智能计算本地化中型数据中心+边缘计算小微型IDC”三级转变，规模化智算与行业智算并行的需求特征显现。从资本支出的角度来看，三大运营商向互联网和算力网络大幅倾斜。根据中国电信2023年资本支出预算，产业数字化占比将由2022年的29.3%大幅提升至38.4%。 图2：我国数据中心市场规模（亿元） 2021年以来数据中心增长的逻辑主要在于算力需求的扩张。从国内来看，高新技术、数字化转型、智能终端等多样化算力需求场景不断涌现，算力为数据中心增长赋能。通用算力的数据中心占市场规模主体，智算及超算中心空间广阔。按照机架规模统计，目前通用算力数据中心占比超过90%。随着人工智能应用场景的丰富，算力由基础算力向智算演化，算力由1.0时代向2.0过渡。算力2.0由新型数据中心提供大规模数据处理和高性能算力。在此背景下，“十四五”期间智算中心增速有望维持高企。根据IDC预测，预计2026年我国智能算力规模或达1271.4EPLOPS，2021-2026年CAGR达52.3%，而同期通用算力规模CAGR为18.5%。综合以上因素判断，我们认为当前国内数据中心的建设正处于周期向上的拐点，智能算力将驱动新一轮资本开支增长。 图3：不同场景下的异构算力需求 图4：算力1.0向2.0演进 图5：中国智能算力规模（EFLOPS）有望维持高增长 图6：预计2020-2025年全球计算设备算力总规模CAGR达50.4%（EFLOPS） 2019年以来数据中心呈现出“东西向流量占比高”的特征，以及“架构扁平化”和“布局集群化”两个趋势。传统数据中心是为.com应用设计的，这些流量大多是客户端和服务器之间的通信。而随着分布式计算、大数据兴起，这些应用会在数据中心的服务器之间产生大量的流量。例如Facebook的Hadoop集群，将数据分布在数据中心成百上千个服务器中，进行并行计算。 图7：数据中心“东西向”流量占主导 图8：传统三层网络结构和两层叶脊结构的区别 在“东西向”流量占主导的背景下，数据中心网络架构自2019年以来向扁平化发展。数据中心传统的三层网络架构包括接入层、汇聚层和核心层。东西流量分为L2和L3，对于L2流量，如果源和目的主机都在同一个接入层交换机下，那么可以达到全速，因为接入交换机就能完成转发。但如果需要跨机架，则需要通过汇聚层交换机进行转发，带宽取决于汇聚层交换机的转发速率。对于L3流量，必须经过核心交换机完成转发，这不仅浪费了宝贵的核心交换机资源，多层转发也增加了延时。 因此当存在大量东西向流量时，三层架构下的传输效力受限于汇聚层和核心层交换机的设备性能。 表1：传统三层网络架构下的交换机分类 叶脊网络对光模块的需求相对传统网络大幅提升，同时推动高速率产品在数据中心中的应用。叶脊两层网络的优势在于低延迟、扩展性好、带宽利用率高等，同时也带来了更高的光模块用量。亚马逊、谷歌、微软、Facebook等北美超大型数据中心内部互连已从2019-2020年开始商用部署400G光模块，国内节奏相对滞后，于2022年实现400G的规模部署。 表2：数据中心典型的光互连场景 图9：数据中心交换芯片吞吐量演进趋势 数据中心内部流量的增加带来网络架构变迁，除了促进高速率光模块的发展，也形成了低功耗、低成本、智能化的趋势。低功耗方面，400G的早期功耗为10-12W，预计长期功耗将为8-10W，800G功耗约为16W左右。未来重点关注CPO技术的发展，其作为关键性技术迭代，或成为驱动新一轮光模块需求增长的重要引擎。根据Lightcounting的预测，全球CPO端口的销售量将从2023年的5万增长到2027年的450万，四年时间提升达90倍。 “布局集群化”是数据中心的另一发展趋势，表现为大型及以上数据中心占比的不断提升。“布局集群化”体现为超大型数据中心快速增长，市场主体推动数据中心向核心区域布局，呈现由“中心向周边”“东部向西部”转移的部署趋势。我国超大型数据中心数量从2018年的34个增长到2021Q3的105个，三年CAGR达45%。 超大型数据中心机架占比从2018年的37%增长到2021Q3的41%，数据中心集群化趋势明显。 图10：“布局集群化”趋势下超大型IDC占比不断提升 综上所述，在AI、无人驾驶、物联网等智能算力应用场景的推动下，总体推断2023-2025年全球数据中心规模增速或保持上升的趋势。在网络流量不断增长、叶脊架构广泛应用的背景下，数通光模块需求增速预计进入上升通道；同时交换机之间的设备交换容量不断提升促进了高速率产品的规模化应用，数通产品平均单价呈现上升趋势，综合导致了光模块产业进入量价齐升的周期。 图11：2022年以来400G数通光模块加速部署 （2）5G网络驱动光模块量价齐升，关注5G基站建设节奏 5G网络建设以2019年为元年，2020年进入高速增长期，预计至2025年左右基站数量趋于稳定。2016年开展5G技术试验和商用牌照发放前期研究。2018年，发改委公布《2018年新一代信息基础设施建设工程拟支持项目名单》，大力推动5G试验网建设；2018年12月初已完成5G频谱分配，包括3.5GHz和2.6GHz。2020年三大运营商进一步优化和扩大5G投资，整体资本开支在5G规模建设的拉动下出现较大增长。截至2020年底，我国已建成全球最大5G网络，累计建成5G基站71.8万个，推动共建共享5G基站33万个。根据规划，2020至2024年是5G网络规模建设期，2025年至2028年为5G网络完善期，在2029年左右将开始引入6G网络。 图12：我国网络基站建设情况（万个） 5G网络建设对于智能化发展、提升社会生产效率具有重要意义，并带来数据流量的大幅增长。5G凭借大带宽、低延时等特征，丰富了人与物、物与物连接的应用场景，推进了无人驾驶、VR/AR、移动医疗、智慧城市的发展。5G的三个应用场景主要是：eMBB（增强型移动带宽）、mMTC（海量机器类通信）和URLLC（超可靠低时延通信），其中mMTC和URLLC就是面向垂直行业与万物互联。5G承载网从4G的两级结构演化到三级结构，对光模块数量产生大规模需求。5G提供的业务具有大带宽、低延时、海量连接的特征，从而对承载网提出了高精度时间同步、灵活组网、低延时等要求。在此背景下，5G承载网衍生出前传、中传和回传网络三级结构