人工智能专题研究：LPO光模块

人工智能专题研究 LPO光模块 西南证券研究发展中心通信研究团队2023年11月 核心要点 算力成为AI时代主引擎，高速光模块持续放量。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。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，光连接朝着高速率、大密度方向发展。随着芯片速率翻倍，英伟达的B100和H200等产品将逐步标配1.6T光模块，光模块产业将加速更新迭代。 LPO具备低功耗、低成本优势，或将成为未来主流路线。去掉DSP后，光模块功耗大幅度下降。相比于可插拔光模块，LPO的功耗下降约50%，与CPO的功耗接近。Arista针对不同光学方案的功耗对比，采用Linear-drive方案后，不同方案(硅光、VCSEL、TFLN薄膜铌酸锂)的功耗均下降50%左右。DSP的BOM成本约占20-40%，去除DSP后，虽然Driver和TIA集成了EQ成本略有增加，但整体成本下降。以800G光模块为例，使用LPO系统可以使总成本下降大约8%，约50~60美元。 国内外厂家纷纷布局，LPO或于明年上量。目前新易盛、剑桥科技、中际旭创等光模块公司已发布LPO相关产品。从产业链协同角度，高线性度的TIA、Driver芯片作为LPO技术的核心零部件，Macom、Semtech等厂家为目前主要供应商，同时博通也在推进相关产品研发。 相关标的：新易盛、中际旭创、剑桥科技等。 风险提示：AI应用发展不及预期；上游芯片供应紧缺风险；市场竞争加剧等风险。 1 目录 一、LPO光模块概述 1.1LPO光模块的定义 1.2LPO光模块的构成和技术原理 1.3LPO光模块的优势和劣势 二、LPO光模块行业分析 三、LPO光模块重点公司分析 2 1.1LPO光模块的定义 LPO，英文全称Linear-drivePluggableOptics，即线性驱动可插拔光模块，在数据链路中只使用线性模拟元件，无需DSP或者CDR芯片。 LPO是一种光模块封装技术。通常意义上的光模块都是可插拔的。所谓“可插拔 （Pluggable）”，如右图所示，交换机上 有光模块的端口，把对应的光模块插入交换机，进而可以连接光纤。如果光纤或者光模块损坏，只要拔出光模块便可以进行维修更换。 “可插拔”光模块 数据来源：CSDN，西南证券整理3 光模块传输，就是电信号变成光信号，光信号又变成电信号的过程。在发送端，信号经过数模转换（DAC），从数字信号变成模拟信号。在接收端，模拟信号经过模数转换（ADC），又变成数字信号。光模块中主要的电芯片包括DSP、激光驱动器（LDD）、跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）、时钟数据恢复芯片（CDR，ClockandDataRecovery）等。 1.2LPO光模块的构成和技术原理 组成 功能 DSP DSP就是一个跑算法的芯片。它拥有数字时钟恢复功能、色散补偿功能 （去除噪声、非线性干扰等因素影响），可以对抗和补偿失真，降低失真对系统误码率的影响。DSP并不是所有的传统光模块都有，但是高速光模块基本都需要DSP。 TOSA 主要作用是实现电信号转光信号，主要包括激光器、MPD、TEC、隔离器、Mux、耦合透镜等器件，有TO-CAN、Gold-BOX、COC（chiponchip)、COB(chiponboard)等封装形式。 LDD(LaserDiodeDriver) 将CDR的输出信号，转换成对应的调制信号，驱动激光器发光。不同类型的激光器需要选择不同类型的LDD芯片。在短距的多模光模块中（例如100GSR4），一般来说CDR和LDD是集成在同一个芯片上的。 CDR （Clockand DataRecovery) 是光模块中的关键组成部分，CDR的作用主要是从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息。 ROSA 主要的作用是实现光信号转电信号，内置器件主要包括PD/APD、DeMux 、耦合组件等，封装类型一般和TOSA相同。PD用于短距、中距的光模块，APD主要应用于长距光模块。 TIA (Transimpeda nceamplifier) 配合探测器使用。探测器将光信号转换为电流信号，TIA将电流信号处 理成一定幅值的电压信号，我们可以将它简单的理解为一个大电阻。 LA (Limiting Amplifier) TIA输出幅值会随着接收光功率的变化而改变，LA的作用就是将变化的输出幅值处理成等幅的电信号，给CDR和判决电路提供稳定的电压 信号。高速模块中，LA通常和TIA或CDR集成在一起。 MCU 负责底层软件的运行、光模块相关的DDM功能监控及一些特定的功能。 传统光模块的组成 数据来源：CSDN，西南证券整理4 1.2.1传统光模块介绍——PAM4调制技术和DSP PAM4（4-LevelPulseAmplitudeModulation）即四电平脉冲幅度调制，PAM4信号技术是一种采用4个不同的信号电平来进行信号传输的调制技术。作为下一代高速信号互连的热门信号传输技术，PAM4信号比传统NRZ（Non-Return-to-Zero）信号多了两个电平：NRZ信号采用高、低两种信号电平表示数字逻辑信号的1、0，每个周期可以传输1bit的逻辑信息；PAM4信号则采用4个不同的信号电平进行信号传输，即00、01、10、11，每个周期可以传输2bit的逻辑信息。因此，在相同符号周期内，PAM4信号的比特速率是NRZ信号的两倍。 PAM4是目前性价比最高的方案。全球带宽市场仍处于大规模需求增长阶段，这对现有的网络技术和网络基础设施的信号传输能力提出了更高的要求，而传统的NRZ信号在庞大的带宽需求下遭遇了传输效率瓶颈，PAM4信号技术作为另一种较为成熟的信号传输技术，恰巧在信号传输效率方面弥补了NRZ信号的缺点，并在满足日益增长的带宽需求的同时，保持着较低的建设成本。 NRZ技术和PAM4技术 PAM4是400G光模块的主要调制方式，基于4x100GPAM4的单模光模块是当前的市场焦点。 基于PAM4调制的400G光模块电口侧以8x50GPAM4调制，光口侧则有   8x50GPAM4和4x100GPAM4两种调 制类型。 4x100G光模块线路侧使用带有100GPAM4的4条通道。 在DR4光模块中，DSP将8x50GPAM4电信号转换为4x100GPAM4，传输到光引擎。同时，DSP充当CDR 。 基于PAM4DSP的光模块 数据来源：CSDN，华为官网，易飞扬通信，西南证券整理5 交换机结构 虽然DSP具有数字时钟恢复功能和色散补偿功能，能够以较低的误码率实现信号恢复，但它也带来了较高的功耗和成本开销。例如，在400G光模块中，用到的7nmDSP，功耗约为4W，占到了整个模块功耗的50%左右。从成本的角度来看，400G光模块中，DSP的BOM（BillofMaterials，物料清单）成本约占20-40%。 为了降低功耗和成本，并满足高速、高密度光通信连接以及光网络灵活性和可升级性的需求，LPO（线性驱动可插拔光学模块）应运而生。LPO技术采用了线性直驱的方式，将DSP替换为具有高线性度的Driver（驱动芯片）和TIA（Trans-ImpedanceAmplifier，跨阻放大器），并分别集成CTLE（ContinuousTimeLinearEqualization，连续时间线性均衡）和EQ（Equalization，均衡）功能，从而大大降低了功耗和延迟。 1.2.2LPO光模块的构成和技术原理 传统光模块和LPO光模块技术原理对比 光模块的功耗组成 数据来源：思科官网，CSDN，锐捷网络官网，西南证券整理6 1.3LPO光模块的优势和劣势 LPO的优势：低功耗、低成本、低延时、易维护。 LPO当前主要存在两大劣势： 优势 详细介绍 低功耗 去掉DSP后，光模块功耗大幅度下降。相比于可插拔光模块，LPO的功耗下降约50%，与CPO的功耗接近。Arista针对不同光学方案的功耗对比，采用Linear-drive方案后，不同方案(硅光、VCSEL、TFLN薄膜铌酸锂)的功耗均下降50%左右。 低成本 DSP的BOM成本约占20-40%，去除DSP后，虽然Driver和TIA集成了EQ成本略有增加，但整体还是下降的。以800G光模块为例，使用LPO系统可以使总成本下降大约8%，大约50~60美元。 低延时 去除DSP会使得光模块减少一个处理过程，数据的传输时延也随之下降。这个优点，对于AI计算和超级计算场景尤为重要。 易维护 在LPO方案中，光模块的封装形式没有显著改变，采用可插拔设计，方便插入和拔出光学模块，使得光学连接更加灵活和方便。这种设计简化了光纤布线和设备维护，提高了系统的可管理性和可维护性。 （1）通信距离短，应用场景受限制 TIA和Driver芯片并不能完全替代DSP，去除DSP后会导致系统的误码率提升，进而导致传输距离变短。 行业普遍认为，LPO只适用于特定的短距离应用场景。例如，数据中心机柜内服务器到交换机的连接，以及数据中心机柜间的连接等。 （2）标准化刚起步，互联互通存在挑战 目前，LPO的标准化还处于早期阶段，在互联互通上可能会存 在一些挑战。 对于企业来说，如果采用LPO，那么，需要具备一定的技术能力，能够制定技术规格和方案，能够探索设备和模块的边界条件，能够进行大量的集成、互联互通测试。 LPO目前更适合较为封闭和供应商单一的系统。如果采用多供应商，公司又没有实力驾驭，那么，可能存在“问题较难界定 ，相互扯皮”的问题，还不如使用传统DSP方案。 此外，也有专家指出，LPO给系统侧的电通道设计带来了一定挑战。目前SerDes主流规格是112G，很快将升级到224G。专家们认为，LPO没办法跟上224GSerDes的要求。 数据来源：CSDN，电子技术设计，锐捷网络官网，西南证券整理7 目录 一、LPO光模块介绍 二、LPO光模块行业分析 2.1市场规模 2.2竞争格局 2.3LPO和CPO的对比 三、LPO光模块重点公司分析 8 由于智算中心的建设，光模块市场将成为一个重要的增长点，预计在技术层面和需求层面将带来深刻的变革。受益于不断发展的应用场景和快速增长的市场需求，据LightCounting预测，未来5年光模块市场总量仍将保持持续增长势头。光通信行业市场调研机构LightCounting预计，传统的可插拔模块将在未来5年甚至更长时间内继续主导市场。 预计业内将在2024年底首次部署LPO光模块。到了2026年-2028年，LPO/CPO端口将占到800G和1.6T总部署端口的30%以上。预计LPO光模块出货量从2023年的1.31万件增长到2028年的418万件，CAGR可达217%。预计800G及以上速率LPO光模块出货量占比预计从2023年的3%增长到2028年的19%。 全球光模块市场规模预测 2.1市场规模 数据来源：LightCounting，百家号，西南证券整理9 2.2竞争格局 光通信行业知名市场机构LightCounting公布了最新版2022年全球光模块TOP10榜单。榜单显示，中国光模块厂商强者愈强，一共7家入围，海外仅剩3家在榜单上。2022年，旭创科技（排名并列第1）、华为（排名第4）、光迅科技（排名第5）、海信宽带（排名第6）、新易盛（排名第7）、华工正源（排名第8）、索尔思光电（排名第10）入围。值得一提的是，索尔思光电被