通信行业专题研究：AI训练需求推动全光交换机加速落地

证券研究报告 行业研究|行业专题研究|通信 AI训练需求推动全光交换机加速落地 请务必阅读报告末页的重要声明 2024年11月16日 证券研究报告 |报告要点 从OEO到OOO，全光交换机适配AI算力需求。OOO全光交换机并不是要替代OEO交换机，而是结合两者的优势搭建灵活的、低成本的数据中心网络，来满足不断增长的流量需求。英伟达和谷歌争相布局全光交换，基于OXC技术的全光交换机有望加速落地。华为、光迅科技、Coherent等公司陆续推出基于OXC技术的全光交换机，华为和Coherent预计他们的产品可以在2025年商用。我们建议关注国产OXC交换机产业链机会。 |分析师及联系人 张宁 张建宇 SAC：S0590523120003SAC：S0590524050003 请务必阅读报告末页的重要声明1/13 行业研究|行业专题研究 2024年11月16日 通信 AI训练需求推动全光交换机加速落地 投资建议： 强于大市（维持） 上次建议：强于大市 相对大盘走势 通信 40% 沪深300 17% -7% -30% 2023/112024/32024/72024/11 相关报告 1、《通信：GSE技术助力AIGC快速发展》 2024.11.09 2、《通信：运营商稳健增长，AI推动行业发展》2024.11.03 扫码查看更多 全光交换机适配AI算力需求 目前基于AISC交换芯片的OEO交换机收发都需要光电转换来满足信号传输的要求。OOO全光交换机在完成信号转发的过程中，不对信号进行处理，通过光交换的形式转发，没有光电转换环节。OOO全光交换机并不是要替代OEO交换机，而是结合两者的优势搭建灵活的、低成本的数据中心网络，来满足不断增长的流量需求OOO交换机同样在DCI互联场景有很好的应用场景，结合SDN技术和网络监控，可以实现零接触业务倒换和上线，以及已开通业务的自动保护。 英伟达和谷歌争相布局全光交换 2024年7月份，英伟达副总裁SimonaJankowski加盟芯片初创公司Lightmatter任首席财务官。近期Lightmatter完成新一轮4亿美元的融资，其Passage光互联网产品对AI算力网络的重要性得到市场的高度重视。Google也是最早把OCS交换机规模引用的互联网企业，在Jupiter网络架构中引入了MEMS型光开关全光交换机应用。OFC2023上，谷歌详细介绍了其全新内部项目Apollo,直接将SP层的EPS替换为OCS，减少了网络中光电转换环节。 基于OXC技术的全光交换机有望加速落地 相比传统ROADM基于分离板件+板间跳纤的光交换方式，OXC采用集成式互连构建全光交换资源池，实现了高集成度、“0”跳纤的全光交换，有效避免人为跳纤操作失误，提升了大颗粒业务的交换效率。OXC系统基于集成式互连全光交换理念，采用全光背板、光支路板和光线路板三大部分组成。华为、光迅科技、Coherent等公司陆续推出基于OXC技术的全光交换机，华为和Coherent预计他们的产品可以在2025年商用。 投资建议：关注国产OXC交换机产业链机会 我们认为OCS交换机通过优化网络结构，减少光电转换环节，可以为AI集群提供更低的时延和功耗。同时我们认为基于OXC技术的OCS交换机、基于硅光技术的CPO交换机不是替代关系。我们建议：（1）关注已经发布OXC产品的公司：光迅科技。（2）在电信光通信领域有OXC产品技术积累的企业：烽火通信、德科立。（3在全光交换机场景下，MUX/DEMUX和环形器被用于光模块内部减少光路的数量。建议关注国内AWG供应商：仕佳光子。（4）关注光纤阵列FAU厂商：天孚通信。风险提示：AI发展不及预期的风险；中美贸易摩擦加剧的风险；技术路径发展不及预期的风险。 正文目录 1.谷歌、英伟达相继布局全光交换4 1.1从OEO到OOO，全光交换机适配AI算力需求4 1.2英伟达高管加盟Lightmatter布局全光交换5 1.3谷歌在数据中心网络大规模部署OCS交换机6 2.基于OXC技术的全光交换机有望加速落地8 2.1OXC全光交换技术的发展8 2.2基于OXC技术的全光交换机产业进展9 3.投资建议：关注国产OXC交换机产业链机会11 4.风险提示12 图表目录 图表1：OEO交换机原理示意图4 图表2：OOO全光交换机原理示意图4 图表3：OOO和OEO混合组网架构4 图表4：OOO交换机用于DCI互联5 图表5：OOO交换机用于DCI链路保护5 图表6：LightmatterPASSAGE架构5 图表7：Lightmatter的PASSAGE全光交换方案6 图表8：Google的Jupiter网路架构和OCS交换机7 图表9：Google的Apollo网路架构和OCS交换机7 图表10：GoogleOCS交换机内部结构原理图7 图表11：GoogleOCS交换机内部结构图7 图表12：GoogleOCS架构里的FR光模块8 图表13：GoogleOCS架构里的FR光模块使用的环形器8 图表14：传统ROADM系统和池化OXC系统对比8 图表15：OXC系统架构图9 图表16：华为DC808数据中心全光交换机10 图表17：光迅科技OCS全光交换机10 图表18：Coherent的DLX全光交换机10 图表19：POLATIS®576OCS交换机10 图表20：华为的全光DCN网络架构11 1.谷歌、英伟达相继布局全光交换 1.1从OEO到OOO，全光交换机适配AI算力需求 目前基于AISC交换芯片的交换机，可以定义为Opticaltoelectricaltooptical(OEO)packetcircuitswitches，核心的报文交换转发功能由AISC芯片完成。OEO交换机收发都需要光电转换来满足信号传输的要求。Anall-optical,or"opticaltoopticaltooptical"(OOO),fiberopticswitch在完成信号转发的过程中，不对信号进行处理，通过光交换的形式转发，没有光电转换环节。 图表1：OEO交换机原理示意图图表2：OOO全光交换机原理示意图 资料来源：HUBER+SUHNER《All-opticalswitchingfordatacentersFundamentalsandapplications》，国联证券研究所 资料来源：HUBER+SUHNER《All-opticalswitchingfordatacentersFundamentalsandapplications》，国联证券研究所 HUBER+SUHNER指出，OOO全光交换机并不是要替代OEO交换机，而是结合两者的优势搭建灵活的、低成本的数据中心网络，来满足不断增长的流量需求。 图表3：OOO和OEO混合组网架构 资料来源：HUBER+SUHNER《All-opticalswitchingfordatacentersFundamentalsandapplications》，国联 证券研究所 HUBER+SUHNER指出OOO交换机同样在DCI互联场景有很好的应用场景，结合SDN技术和网络监控，可以实现零接触业务倒换和上线，以及已开通业务的自动保护。 图表4：OOO交换机用于DCI互联图表5：OOO交换机用于DCI链路保护 资料来源：HUBER+SUHNER《All-opticalswitchingfordatacentersFundamentalsandapplications》，国联证券研究所 资料来源：HUBER+SUHNER《All-opticalswitchingfordatacentersFundamentalsandapplications》，国联证券研究所 1.2英伟达高管加盟Lightmatter布局全光交换 2024年7月份，英伟达副总裁SimonaJankowski加盟芯片初创公司Lightmatter任首席财务官。近期Lightmatter以44亿美元的估值，完成D轮4亿美元的融资，其Passage光互联网产品对AI算力网络的重要性得到市场的高度重视。 Passage是一种利用光子进行芯片互连的技术，属于I/O技术的一种。Lightmatter的技术利用波导（waveguide）而非光纤在一个大的芯片间为各个不同种类的计算核心互连并传输数据，这提供了极高的并行互连带宽。 图表6：LightmatterPASSAGE架构 资料来源：nextplatform官网，国联证券研究所 Passage把光学器件、波导都集成到芯片本身，可以在单根光纤的空间内安装40根波导。它提供的高带宽I/O可以在单个3D封装中互连高性能CPU、GPU、FPGA、DRAM 和ASIC。在板卡级别的互连中，它使用光纤，可以让更多的计算节点高效率的互连在一起。这一整套技术，推动芯片内和芯片间的I/O带宽在未来几年实现超过10倍甚至100倍的增长。Passage主要的特质： 1.完全集成芯片组互连解决方案，具有直接光纤连接，所有部件都在单个封装中。 2.用于灵活切割的统一架构（例如1×1、2×2、2×4）。 3.高带宽I/O在单个3D包中互连高性能CPU、GPU、FPGA、DRAM和ASIC。 4.集成光子学和控制电子技术提供有效的通道，并提供较高的性能密度。 5.内置可重构OCS（光电路交换机）和控制机制，实现冗余并提高设计的可靠性。 6.WDM调制可以在单个波导或光纤上实现多λ双向光发射和接收，从而可以增加通信带宽。 图表7：Lightmatter的PASSAGE全光交换方案 资料来源：Lightmatter官网，国联证券研究所 1.3谷歌在数据中心网络大规模部署OCS交换机 Google的数据中心网络一直有三个核心的理念：软件定义网络（SDN）、Clos拓扑结构、商用交换芯片。其中CLOS作为一种非阻塞的多级交换拓扑结构，由较小radix的交换芯片构成，可以扩展到任意大的网络，成为算力时代的主流架构。 Google也是最早把OCS交换机规模引用的互联网企业。为了解决不同代际的网络基础设施灵活互联的问题，在Jupiter网络架构中引入了MEMS型光开关(OpticalCircuitSwitch,简称OCS)全光交换机应用。OFC2023上，谷歌详细介绍了其全新内部项目Apollo,直接将SP层的EPS替换为OCS，减少了网络中光电转换环节。 图表8：Google的Jupiter网路架构和OCS交换机图表9：Google的Apollo网路架构和OCS交换机 资料来源：Google《JupiterEvolving：TransformingGoogle’sDatacenterNetworkviaOpticalCircuitSwitches》，国联证券研究所 资料来源：Google《MissionApollo：LandingOpticalCircuitSwitchingatDatacenterScale》，国联证券研究所 Google的OCS内部结构如下图所示：输入输出为两个光纤准直器阵列(fibercollimatorarray),光纤准直器包括光纤阵列和微透镜阵列，输入输出均为136个通道。光通过光纤进入到OCS系统后，先后经过两个2D的MEMS阵列。每个MEMS阵列含有136个平面镜，用于精确调节光的传播方向。此外系统中还包含两个监控通道，监控通道使用850nm波长的光。 图表10：GoogleOCS交换机内部结构原理图图表11：GoogleOCS交换机内部结构图 资料来源：Google《MissionApollo：LandingOpticalCircuitSwitchingatDatacenterScale》，国联证券研究所 资料来源：Google《MissionApollo：LandingOpticalCircuitSwitchingatDatacenterScale》，