光模块行业专题报告：AI使互联需求跃迁，高速率光模块市场方兴未艾

AI使互联需求跃迁，高速率光模块市场方兴未艾 ——光模块行业专题报告 作者： •电子通信行业首席分析师刘凯，执业证书编号：S0930517100002 •电子通信行业分析师朱宇澍，执业证书编号：S0930522050001 2024年5月11日 证券研究报告 核心观点 光模块产业趋势：AI驱动800G/1.6T/3.2T数通光模块快速成长，更高的互联速率+更多的互联数增长奠定了光模块广阔的市场空间。 英伟达推出Blackwell系列GPU，提振高速率光模块需求。 光模块未来路径：CPO、硅光。硅光光模块拥有更高的集成度、更低的规模量产成本，未来渗透率有望提升；3.2T和 6.4T时代，CPO或将成为主流方案。 中国光模块产业的崛起：2022年，全球光模块市场的前十大厂商中，国产厂商占据了七个席位；受到AI拉动，中国光模块出口额今年以来高速增长；受益于AI，光模块公司24Q1业绩实现高增。 投资建议：更高的互联速率+更多的互联数增长奠定了高速率光模块广阔的市场空间，叠加国内公司在全球的领先地 位，我们全面看好光模块行业投资机会，建议关注： （1）1.6T产业链的龙头：中际旭创、新易盛、天孚通信。 （2）光芯片国产化：源杰科技 （3）受益于国产算力发展：华工科技、光迅科技。 风险提示：AI行业发展低于预期、地缘政治风险、竞争加剧 1、光模块产业趋势：AI驱动800G/1.6T/3.2T数通光模块快速成长 2、英伟达推出Blackwell系列GPU，提振高速率光模块需求 3、光模块未来路径：CPO、硅光 4、中国光模块产业的崛起 5、投资建议：重点关注中际旭创、新易盛、天孚通信、源杰科技 6、风险提示 光模块是AI投资中网络端的重要环节，其与训练端GPU出货量强相关，同时推理段流量需求爆发也有望带动需求增长。在算力投资持续背景下，AI成为光模块数通市场的核心增长力。根据Lightcounting和Coherent预测，全球数通光模块市场23年-28年的CARG为18%，其中，AI用数通光模块市场CAGR为47%。 增长驱动力主要来自800G、1.6T、3.2T光模块需求。据Coherent数据，到2027年，整个数通市场800G及以上速率的光模块市场规模占比将超过50%。 图表1：2023-2028年全球数通光模块市场空间（单位：百万美金） 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 图表2：2018-2028年全球数通光模块不同速率市场空间拆分（单位：百万美金） 0 2023E2024E2025E2026E2027E2028E 非AI用数通光模块AI用数通光模块 资料来源：Lightcounting，Coherent预测，光大证券研究所整理资料来源：Lightcounting，Coherent预测,（23-28年数据为预测值） 图表3：AI使得互联速率迭代周期加快 资料来源：Marvell 图表4：交换机密度提升进程 资料来源：FiberMall预测 AI已明确加快了光模块技术迭代，并且显著缩短了光模块周期，之前从100G过渡到400G用了超过3年，为了实现更高的传输速率以匹配 日渐提高的计算速度需求，从800G到1.6T的代际替换有望缩短至不到两年。 根据FiberMall数据预测，2021-2025年交换机密度预计大约每2年翻1倍，相对应光模块速率也将同步匹配。 图表5：GPU数量与光互连数量比较 资料来源：Marvell Marvell于2024年4月12日举办AIday投资者交流会，其中公司执行副总裁LoiNguyen在演讲中提到，模型规模变大带来的多卡并行，越来越多的交换网络层数使得连接数的上升幅度比GPU的增幅更快。 Scailinglaw下，大模型规模越来越大带来交换网络层数提升，光模块配比提升。GPT-3在1K个集群上训练，对应需要2500个光互连；GPT-4在25K个集群上训练，对应需要75000个光互连。未来的10万个超大计算集群，需要50万个光互联（5层架构，GPU与光模块的配比为1:5），随着Scailinglaw的演进，为了实现AGI未来甚至可能会出现1:10光模块配比的网络架构。 6 图表6：更多的互联数增长+更高的互联速率促使网络连接飞速发展 更多的GPU驱动更多的端口连接；同时，随着GPU算力愈来愈强，需要更多的带宽来保持它们处理数据，因此，更高算力的GPU需要更高速的端口。 这两个因素导致了超大规模数据中心连接需求的指数级增长，这是一个庞大且迅速增长的市场。 资料来源：Marvell 图表7：Marvell测算的其互联业务的潜在市场空间 7 资料来源：Marvell Marvell公司认为他们在互联业务的潜在市场空间将从23年的34亿美金增长到28年的111亿美金，CAGR为27%。 这其中包括数据中心内部互联光互联，CAGR为25%；数据中心内部有源电缆DSP，CAGR为59%；数据中心间互联（DCI），CAGR为25%。剔除掉AEC，潜在市场空间也将从23年的33亿美金增长到28年的101亿美金，CAGR为25%。 800G光模块 单通道100G电口&光口 大规模量产 单通道100G电口，单通道200G光口 LPO 1.6T&3.2T光模块 1.6T（8*200G电口&光口） 大规模量产 LPO 3.2T（16*200G电口&光口） CPO 图表8：高速率数通光模块量产节奏路线图 资料来源：Coherent，光大证券研究所 根据Coherent对于行业未来的产品路线图预测，50Tb/s交换机时代，单通道100G的800G光模块于23年开始大规模量产 （已量产）；单通道200G的800G光模块于24年批量出货；LPO方案于24年H2批量出货。 100Tb/s交换机时代，单通道200G的1.6T光模块将于24年年底量产，LPO方案也于24年年底开始量产；单通道200G的3.2T光模块将于26年年初量产，可应用于100Tb/s交换机，也可用于下一代200Tb/s交换机。 图表9：2023年全球数通光模块市场按激光器分类占比 （单位：十亿美金，%） 图表10：2028年全球数通光模块市场按激光器分类占比 （单位：十亿美金，%） 资料来源：Coherent资料来源：Coherent预测 VCSEL激光器用在多模光模块中，由于AI训练集群中GPU间互联需求大幅提升，预计其会快速增长。Coherent预计AI用VCSEL光模块市场规模将从23年的3亿美金增长至28年的16亿美金，占比从6%提升至14%。 EML激光器应用在单模光模块中，适用于长距离互联，多用于上层交换机互联以实现大规模AI集群，Coherent预计AI用EML光模块 市场规模将从23年的6亿美金增长至28年的20亿美金，占比从12%提升至18%。 硅光由于在硅基衬底上集成光子和电子器件，实现了光模块的高集成度、小型化和低功耗，预计1.6T及以上速率硅光光模块占比会越来越高，Coherent预测AI用硅光光模块市场规模将从23年的2亿美金增长至28年的34亿美金，占比从3%提升至29%。 图表11：2023年全球数通市场激光器分类占比（单位：百万美金，%）图表12：2028年全球数通市场激光器分类占比（单位：百万美金， %） 资料来源：Coherent资料来源：Coherent预测 Coherent预测，AI用激光器占比将从23年的22%增长至28年的62%。 其中，AI用VCSEL激光器市场规模将从23年的2500万美金增长至28年的1.35亿美金，占比从5%提升至11%；AI用EML激光器市场规模将从23年的8100万美金增长至28年的2.47亿美金，占比从14%提升至21%；AI用硅光芯片市场规模将从23年的1900万美金增长至28年的3.46亿美金，占比从3%提升至30%. 1、光模块产业趋势：AI驱动800G/1.6T/3.2T数通光模块快速成长 2、英伟达推出Blackwell系列GPU，提振高速率光模块需求 3、光模块未来路径：CPO、硅光 4、中国光模块产业的崛起 5、投资建议：重点关注中际旭创、新易盛、天孚通信、源杰科技 6、风险提示 请务必参阅正文之后的重要声明11 英伟达于24年3月发布了新一代人工智能芯片BlackwellGPU，新的B200GPU拥有2080亿个晶体管，可提供高达20petaflops的FP4算力，而GB200将两个GPU和一个GraceCPU结合在一起，可为LLM推理工作负载提供30倍的性能，同时还可能大大提高效率，与H100相比，它的成本和能耗最多可降低25倍。 英伟达声称，训练一个1.8万亿个参数的模型以前需要8000个HopperGPU和15兆瓦的电力。如今，2000个BlackwellGPU就能完成这项工作，耗电量仅为4兆瓦。 在具有1750亿个参数的GPT-3LLM基准测试中，GB200的性能是H100的7倍，而英伟达称其训练速度是H100的4倍。 图表13：GB200构成 图表14：过去8年英伟达AIGPU算力呈指数级增长 资料来源：Nvidia 资料来源：Nvidia 12 AI和HPC工作负载的一大限制因素是不同节点之间通信的多节点互连带宽。随着GPU数量的增加，通信成为严重的瓶颈，占用的资源和时间高达60%。通过B200，英伟达推出了第五代NVLink和NVLinkSwitch7.2T。新的NVLink芯片具有1.8TB/s的全对全双向带宽，支持576个GPUNVLink域。 在Blackwell这一代采用了224GSerdes，即sub-link的传输速率为200Gbps*4（4对差分线)/8=100GB/s，从网络来看单向带宽为400Gbps。B200总共有18个sublink，因此构成了100GB/s*18=1.8TB/s的带宽，而从网络的视角来看等同于9个单向400Gbps的接口。同理，在NVSwitch的介绍中声明的是Dual200Gb/secSerDes构成一个400Gbps的Port。 整个NVL72系统由ComputeTray和SwitchTray构成，一个ComputeTray包含两颗GB200子系统，累计4颗BlackwellGPU。一个SwitchTray则包含两颗NVLINKSwitch芯片，累计提供72*2=144个NVLINKPort，单颗芯片结构如下，可以看到上下各36个Port，带宽为7.2TB/s。每个B200有18个NVLINKPort，9个SwitchTray刚好共计18颗NVLINKSwtich芯片，因此每个B200的Port连接一个NVSwitch芯片，累计整个系统单个NVSwitch有72个Port，故整个机器刚好构成NVL72，把72颗B200芯片全部连接起来。 图表15：NvlinkSwitch芯片图表16：NVL72的计算节点和互联节点 资料来源：Nvidia 13资料来源：Nvidia 根据英伟达的产品技术规格信息，NVL72和DGXB200初期仍配备ConnectX-7的网卡，搭配上一代的Quantum-2QM9700交换机，部署初期仍主要配备800G光模块。 根据英伟达GTC大会资料，未来的GB200系统将引入ConnectX-8网卡和Quantum-X800InfiniBand交换机（800Gb/s），届时1.6T光模块需求有望放量。 图表17：NVL72和DGXB200部分技术规格 图表18：英伟达新一代Quantum-X800InfiniBand交换机 资料来源：Nvidia 资料来源：Nvidia官网 14资料来源：Nvidia官网 右表分别展示了搭建DGXH100和NVL72集群，搭配交换机Quantum-2QM9700 （C