AI时代算力需求激涌，高速率光模块伴潮而行

电信市场运营商资本开支温和增长，投入向算力网络倾斜。 2019-2023年三大运营商CAPEX年均复合增速为4.61%，呈温和增长态势。 2023年运营商在算力网络的投入支出明显加快，2023年中国移动预计算力网络资本开支452亿元；中国电信预计2023年算力投资实现195亿元；中国联通预计2023年算力网络资本开支将达到149亿元。 数通市场发展未来增速显著，带动光模块市场景气度。 数通市场需求扩增的动力来自两大方面：1）2019-2022北美4大云厂商资本开支增速高达30.77%，数据中心建设投入持续加快。2）叶脊网络架构大幅增加对光模块数量的需求，并助力光模块往更高速率方向迭代升级。 Chat GPT打响AI军备竞赛，算力需求驱动光模块更新迭代进程提速。 模型升级迭代的背后是对海量数据的训练和推理，自2012年以来全球算力需求迎来快速增长，但AI的应用和发展存在“木桶效应”，即算力服务器集群之间的数据交换需要数据中心内部的网络互联做配套，从而激发出对高速率光模块的大量需求，推动光模块行业发展。 2024年800G将步入规模化放量阶段，1.6T时代逐步临近 受海外AI算力需求驱动，国内光模块龙头厂商23年3月800G需求起量，23年下半年400G订单出货增加；随着交换芯片容量约每2年翻番，FiberMall预计1.6T光模块需求有望于2025年实现。 LPO、CPO、硅光和薄膜铌酸锂方案成为光模块新技术发展方向 算力时代背景下，数据中心成为能耗大户，光模块技术的升级不仅仅是简单的速率翻倍，更需要解决速率提高所带来的功耗高、成本大等问题。LPO、CPO、硅光和薄膜铌酸锂方案有望成为解决该系列问题的突破口。 投资建议：1）光模块及光器件：中际旭创、天孚通信、新易盛；2）光芯片及硅光：源杰科技（与电子团队联合覆盖）、博创科技、仕佳光子；3）交换机：中兴通讯、紫光股份（与计算机团队联合覆盖）、沪电股份（与电子团队联合覆盖）；4）算力调度：润建股份、润泽科技（与机械团队联合覆盖）。 风险提示：1）AI应用发展不及预期风险；2）海外大厂投资不及预期风险； 3）中美摩擦升级风险；4）行业竞争加剧，价格和盈利能力下降风险。 重点标的推荐 1.光模块简介 1.1.光模块的定义 光模块是一种用于光通信的设备，它包括发光器和接收器，可以将电信号转换为光信号并发送到远程设备，也可以将收到的光信号转换为电信号并传递给计算机、路由器或交换机等设备。光模块通常用于数据中心、企业网络、电信运营商网络等领域，用于实现高速、远距离、高可靠性的通信。 图1：光模块基本结构 图2：光模块的工作原理 1.2.光模块的成本架构 光模块中实现光电转换作用的核心部件是光电芯片，光芯片是光模块中完成光电信号转换的直接芯片，而电芯片是实现对光芯片工作的配套支撑，两者都是光模块的核心部件。成本占比来看，光芯片通常占光模块成本的40%-60%，电芯片占10%-30%之间。 光模块的主要升级在速率，光通信芯片的成本随着光模块速率的不断升高而提高。作为最主要的成本构成，芯片的差异也成为了衡量光器件高低端的主要标准。越高速、越高端的光模块，光芯片和电芯片的成本占比就越高。 图3：光模块成本占比 图4：光芯片在不同速率光模块中的占比 1.3.光模块产业链上下游 上游主要包括光芯片、电芯片、光器件等供应商，其中光器件供应商较多，国产化率较高，但芯片工艺技术壁垒高，研发成本大，国外大厂占据高端光芯片、电芯片领域市场大部分份额。光模块身处中游，属于技术壁垒相对较低的封装环节。下游包括互联网及云计算企业、电信运营商、数据通信和光通信设备商等。其中互联网及云计算企业、电信运营商为光模块最终用户。 图5：光模块产业链全景图 光芯片国内厂商竞争领域集中于25Gb/s以下产品，25Gb/s及以上产品国产化率尚有不足。 按速率划分，光芯片一般分为2.5Gb/s、10Gb/s、25Gb/s及以上各种调制速率。按功能划分，光芯片可分为激光器芯片和探测器芯片，激光器芯片用于发射信号，将电信号转化为光信号，按出光结构进一步分为面发射芯片和边发射芯片，主要包括VCSEL、FP、DFB、EML；探测器芯片用于接收信号，将光信号转化为电信号，主要包括PIN和APD。2022年EML大规模商用的最高速率已达到100Gb/s，DFB和VCSEL激光器芯片大规模商用的最高速率已达到50Gb/s。 图6：光有源芯片分类概况 图7：2023年光芯片国产化率情况 欧美日国家光芯片厂商具有技术经验先发优势，逐步实现产业闭环，并建立起较高的行业壁垒，拥有可量产25Gb/s速率以上光芯片的技术。国内厂商在芯片制造中对外延技术的掌握尚未成熟，因此高端外延片主要依赖进口，导致发展受限。分速率市场来看，国内厂商目前能够规模量产2.5Gb/s、10Gb/s激光器芯片，25Gb/s激光器芯片仅少部分厂商实现批量发货，50Gb/s、硅光方案大部分厂商仍处于验证试产阶段。 图8：各类光芯片竞争情况与主要供应商 电芯片国产化率偏低，核心供应厂商仍以海外企业为主。电芯片包括激光驱动芯片LD Driver、跨阻放大器芯片TIA、限幅放大芯片LA、DSP电信号处理芯片等，但国内只有少数供应商涉足25Gb/s及以下速率的电芯片产品，25Gb/s以上基本依赖进口。 图9：电芯片分类概况 图10：2017年电芯片国产化率预测 1.4.光模块行业格局 近年来国内光模块厂商高速发展，行业内呈现“西退东进”趋势。2010年至今以来国内光模块厂商飞速发展，全球排名逐步靠前，2010年国内仅有一家武汉电信器件有限公司（WTD）入围全球top10榜单，LightCounting公布的2022年全球Top10榜单中国内厂商强者愈强，共计7家入围，其中中际旭创与Coherent并列高居榜首。 2015-2023年光模块月度出口规模震荡上行，2023年11月、12月连续创下新高。根据海关出口数据，2015-2023年我国光模块出口年化复合增速为12.26%，上升趋势明显。2023年呈现前低后高的走势，主要原因为国内头部厂商高速率产品海外订单Q2、Q3逐步起量，拉动出口需求增长。 图11：2022年Top10光模块厂商中国内厂商占7家 图12：2015-2023年光模块月度海关出口情况 2.光模块行业概况 2022-2028年全球光模块市场规模CAGR将实现12%，2028年全球规模有望突破200亿美元。根据Yole Intelligence数据，2022年全球光模块市场规模为110亿美元，在大型云服务运营商对800G高数据速率模块的高需求和国家电信对增加光纤网络容量的要求推动下，预计2028年将增至223亿美元，2022-2028年化复合增速将达到12%。 光模块国内市场需求规模为20-30亿美元，占比全球约1/4。根据LightCounting预测，2018-2023年中国光模块部署量占比全球25%-35%，2024-2029年占比20%-25%，略有下降。北美云服务商在AI集群中部署800G的计划较为激进，这将成为未来2-3年中国份额下降的主要因素。 图13：2022-2028年全球光模块市场CAGR将高达12% 图14：2024-2029年中国光模块部署量占比全球20%-25% 2.1.电信市场运营商资本开支稳中见长，开支比重向算力网络倾斜 电信市场方面，自2019年宣布商用5G服务以来，三大电信运营商资本开支呈稳中见长态势，2019年三家公司资本开支共计约2999亿元，预计到2023年资本开支合计约为3591亿元，年化复合增速4.61%。 2019年是5G网络建设元年，随后2020-2022年步入5G发展高峰期。2019年6月6日工信部向三大运营商和中国广电发布5G商用牌照，同年第一批15万个5G基站建设落地，2019-2023年5G基站每年平均新增67.54万台。5G领域中光模块的用处在前传、中传和回传，其中前传主要对应25G/50G光模块，中传主要对应50G/100G光模块，回传主要对应100G/200G/400G光模块。 图15：2017-2023全国移动通信基站数量 图16：光模块在5G网络架构中的应用 三大电信运营商对产业互联网和算力网络的相关投资正逐步加大。2023年中国移动预计资本开支将实现1832亿元，其中算力网络资本开支452亿元，同比增长近35%，新增投产云服务器超过24万台、新增投产对外可用IDC机架超4万架。中国电信预计2023年资本开支将实现990亿元，产业数字化投资拟增长40%，其中算力投资为195亿元，IDC投资为95亿元。中国联通2022年算力网络占比资本开支16.8%，公司预计2023年算力网络资本开支将达到149亿元，占总资本开支比例将达到19.4%，同比增长超过20%。 图17：2022年三大运营商算力网络建设概况 2.2.资本开支高增、网络架构升级成为提升数通市场景气度的核心驱动力 北美4大云服务商资本开支占比全球约85%份额，2019-2022年CAPEX年化复合增速高达30.77%。根据Counterpoint Research数据预测，2023年北美4大云服务商Microsoft、Amazon、Google和Meta将占全球总资本支出的85%。其中2022年整体资本开支有所放缓，背后或可归结于疫情期间导致的全球经济下行，但自23Q2开始逐步回暖。 图18：2023年全球云服务提供商资本开支占比 图19：2020-2023Q3年北美4大云厂商资本开支规模及增速 全球数据规模扩张使得对数据中心的建设投入加快，数据中心内部设备需要网络互联，从而对应产生光模块的大量需求。随着通信、互联网应用的不断发展，个人、企业对算力和数据储存的需求逐步往“云”上迁移。IDC最新数据显示全球数据规模将从2022年的103.66ZB，提升至2027年的284.3ZB，2022-2027年化复合增速将达到22.36%，我们认为数据规模的增加需要更多的服务器、交换机，这些设备需要信息交换和网络互联，也就对应产生光模块的大量需求。 Statista测算全球hyperscale数量已经从2015年的259个，提升至2021年的700个，且Synergy Research Group最新数据显示2023年该数量已接近900个，容量占比全球所有数据中心的37%。按照Precedence Research数据来看，2022年全球hyperscale市场规模为801.6亿美元，预计2032年将提升至9353亿美元，2023-2032年年化复合增速将达27.9%。 图20：2022-2032全球超大规模数据中心市场规模预测 图21：2015-2021全球超大规模数据中心数量 叶脊网络架构大幅增加对光模块数量的需求，助力光模块往更高速率方向迭代升级。数据中心的流量分为两种：1）南北流量：数据中心外的客户端与数据中心内的服务器之间通信的流量；2）东西流量：数据中心内不同服务器之间通信的流量。Cisco2021年数据显示，数据中心流量中以东西流量为主，其占比高达85%。 图22：东西流量占比数据中心总流量的85% 传统三层拓扑网络架构中的东西向流量必须经过汇聚层和核心层的设备转发，经过了许多非必要节点，导致最终用户获得的响应时间变慢。相比而言，叶脊架构（Spine-Leaf）的扁平化设计能将东西流量分布在多条路径上，更适于在东西流量较大的场景中使用。进一步讨论，脊交换机和叶交换机之间的互联需要合理带宽比例进行匹配，其上行链路应始终比下行链路运行更快，以免端口链路阻塞，因此叶脊架构在部署更多光模块数量的同时，也对光模块速率提出更高要求。 图23：叶脊架构与传统三层架构的区别 2.3.AIGC推动算力需求，“木桶效应”加快高速率光模块迭代升级 2022年11月30日OpenAI公司旗下模型ChatGPT的发布打响全球型军备竞赛。2