通信设备行业深度报告：AI时代交换机迎四大产业变革新机遇

通信设备 2024年12月09日 投资评级：看好（首次） AI时代交换机迎四大产业变革新机遇 ——行业深度报告 蒋颖（分析师）雷星宇（联系人） 行业走势图 jiangying@kysec.cn 证书编号：S0790523120003 leixingyu@kysec.cn 证书编号：S0790124040002 50% 34% 17% 0% -17% -34% 通信设备沪深300 交换机变革1：AI驱动组网架构变革，新增后端组网需求 相比传统网络架构，AI服务器组网增加后端网络组网（BackEnd），增加了每台服务器的网络端口数量，叠加AI集群加速Scaleout，万卡、十万、百万卡集群组网使得网络架构层数提升，有望带来大量高速交换机需求。当前IB仍然主导AI后端网络，但以太网根基深厚，生态厂商众多，未来以太网方案占比有望逐步提升，最终或将成为主流方案。 2023-122024-042024-08 数据来源：聚源 交换机变革2：800G交换机开始放量，102.4T交换芯片有望推出 AI大模型参数量持续增长倒逼集群规模提升，叠加AI芯片带宽提升，促使交换 相关研究报告 行业研究 行业深度报告 开源证券 证券研究报 告 机端口速率及交换容量同步升级。交换机端口速率从200G向400G、800G、1.6T 提升，交换芯片带宽容量提升至25.6T、51.2T，下一代102.4T交换芯片有望于2025年下半年推出，盒式交换机端口数量得以持续增长以支持组网规模提升，高速数据中心交换机市场规模有望快速增长。 交换机变革3：交换机白盒化趋势显著，带来新成长机遇 白盒交换机是一种硬件与软件解耦的网络交换机，其硬件由开放化的硬件组件组成，而软件可由用户或第三方自由选择和定制，具备灵活性、可扩展性较高、采购和维护成本较低等优势，广泛应用于互联网厂商和运营商网络，交换机白盒化趋势显著，目前产业生态较为完善，商用交换机芯片厂商、JDM/ODM/OEM交换机设备商有望迎来发展新机遇。 交换机变革4：光交换机商用逐渐成熟，光电融合组网落地大模型训练 光电路交换机（OCS）主要通过配置光交换矩阵,从而在任意输入/输出端口间建立光学路径以实现信号的交换，相比电交换机，光交换机具有成本低、时延低、功耗低、可靠性高等特点，在AI大模型预训练应用场景中表现较好。当前光电融合方案中OCS方案商用化程度较高，基于3D-MEMS系统的OCS方案综合应用较好。 投资建议： AI时代交换机迎来四大变革，交换机产业链有望长期受益。（1）交换机&交换芯片推荐标的：紫光股份、盛科通信、中兴通讯；受益标的：锐捷网络、菲菱科思、共进股份、烽火通信、Arista网络、思科、Juniper、博通、Marvell等；（2）全光交换机受益标的：光迅科技、Coherent等；（3）工业交换机受益标的：映翰通、三旺通信、东土科技等；（4）交换机配套AIDC推荐标的：宝信软件、润泽科技；受益标的：光环新网、奥飞数据、云赛智联、网宿科技等；（5）交换机配套光器件推荐标的：中际旭创、新易盛、天孚通信；受益标的：华工科技、光迅科技、源杰科技等；（6）交换机配套液冷推荐标的：英维克；受益标的：科华数据、网宿科技、飞荣达、高澜股份、申菱环境等。 风险提示：云计算需求不及预期、数字经济增长不及预期、AI发展不及预期 目录 1、交换机：AI时代的核心网络通信设备5 1.1、交换机工作在数据链路或网络层，负责电/光信号转发6 1.2、交换芯片为核心部件，框式、盒式交换机各司其职9 2、交换机变革1：AI驱动组网架构变革，新增后端组网需求13 2.1、RDMA技术被广泛应用于AI智算中心组网，IB与以太网分庭抗礼13 2.2、AI/ML后端市场快速增长，拉动交换机和网卡需求20 2.3、未来组网架构—Scaleup和Scaleout的探讨24 3、交换机变革2：800G交换机开始放量，102.4T交换芯片有望推出26 3.1、AI大幅提升算力需求，驱动以太网交换机需求增长26 3.2、交换芯片不断升级，102.4T芯片有望于2025年底推出31 3.3、AI拉动高速交换机需求，全球800G交换机开始放量33 4、交换机变革3：交换机白盒化趋势显著，带来新成长机遇35 5、交换机变革4：光交换机逐渐成熟，光电融合组网落地大模型训练38 6、投资建议及交换机相关企业介绍40 6.1、盛科通信：稀缺的国产商用交换机芯片龙头41 6.2、紫光股份：国内交换机排头兵，率先布局1.6T端口、800GCPO交换机42 6.3、中兴通讯：核心芯片自研，400G交换机全场景布局42 6.4、锐捷网络：中标多个头部互联网客户项目，受益于白盒化浪潮43 6.5、共进股份：800G交换机陆续交付，突破多个海外客户44 6.6、菲菱科思：发力中高端产品，国内领先ODM/OEM厂商44 7、风险提示45 图表目录 图1：交换机种类较多6 图2：交换机主要工作在OSI模型中的数据链路和网络层7 图3：光信号通过端口进入交换机内部通过PHY、MAC层后进行转发8 图4：美满12.8T芯片白盒交换机内部构成图9 图5：信号在交换机中传递过程示意图9 图6：以太网交换芯片报文处理架构10 图7：典型以太网交换芯片架构10 图8：博通Trident5交换芯片架构10 图9：框式交换机构造11 图10：盒式交换机示意图11 图11：框式交换网板示意图11 图12：框式业务接口板示意图11 图13：框式交换机逻辑结构示意图11 图14：框式交换机正交架构信号传输轨迹11 图15：园区、企业、工业场景网络组网架构13 图16：智算中心网络以东西流量为主14 图17：传统数据中心三层组网架构转向Spine-Leaf架构14 图18：AI模型持续迭代14 图19：AI模型训练所需算力持续增长14 图20：网络带宽越高，训练时间越少15 图21：分布式全局加速取决于加速比15 图22：集群规模与算力比率示意图15 图23：AI集群组网可分为前端（FrontEnd）和后端网络（BackEnd）16 图24：前后端网络组网均来带来大量交换机需求16 图25：RDMA通信时延更低16 图26：RDMA协议栈17 图27：IB在性能和功能上更优，RoCEv2生态丰富具备成本优势18 图28：以太网RDMA网络市场占比有望持续提升18 图29：HPC集群中IB和以太网网络为主流方案18 图30：多方助力UEC发展19 图31：GSE（全调度以太网网络）分层架构19 图32：ETH+实现高载荷比、低时延的开放以太网19 图33：AI服务器网络组网架构20 图34：RDMA市场中交换机需求快速增长20 图35：AI集群组网中计算和存储网络速率较高，管理和业务网络速率较低20 图36：主流三种智算网络架构适用不同场景21 图37：Spine-Leaf两层架构组网22 图38：Fat-Tree三层架构组网22 图39：DGXB200网络端口示意图22 图40：DGXB200127节点计算网络组网架构22 图41：算力集群拓展方向Scaleup+Scaleout24 图42：Scaleup——更多GPU互联25 图43：Scaleout——更多节点互联25 图44：数据中心以太网接口带宽向800G、1.6T发展26 图45：工业自动化和汽车场景以太网速率较低，运营商和云计算网络以太网速率需求较高27 图46：交换机产业链涉及厂商众多27 图47：芯片类在以太网交换设备的成本占比最大28 图48：预计全球以太网交换设备市场2020-2025年复合增速为3.2%28 图49：预计国内以太网交换设备市场2020-2025年复合增速为10.8%28 图50：数据中心以太网交换机下游客户主要是云厂商和大型企业，园区交换机客户主要为中大型企业29 图51：2022年国内数据中心交换机占比接近一半29 图52：2021年国内交换机制造以品牌商为主29 图53：全球生成式AI数据中心以太网交换机市场规模有望快速增长30 图54：2023年全球以太网市场份额较为集中30 图55：三种方式提升互联速率31 图56：通道速率向224Gbps提升31 图57：交换芯片迭代周期约为2年31 图58：美满Teralynx1051.2T芯片支持32个1.6T端口32 图59：新华三首发1.6T端口智算交换机32 图60：英伟达多芯片盒式交换机包含72个1.6TOSFP端口32 图61：2023年全球以太网交换机市场持续增长33 图62：2024年800G端口交换机有望加速放量33 图63：AI后端网络速率有望加速迭代33 图64：2023年国内数据中心交换机市场持续增长34 图65：2023Q1国内新华三、华为、锐捷网络份额靠前34 图66：白盒交换机在过去30年间加速发展35 图67：白盒交换机硬件与软件解耦36 图68：白盒交换机产业生态较为完善36 图69：SONIC软件系统结构图37 图70：SONiC参与厂商众多37 图71：2021年白盒交换机端口出货份额占比10%37 图72：2022年白盒交换机端口出货份额占比14%37 图73：谷歌阿波罗架构核心层采用OCS交换机39 图74：Coherent和光迅科技推出商用OCS产品39 图75：交换机行业重要上市公司40 图76：盛科通信产品包括交换芯片/模组、操作系统和交换机41 图77：新华三数据中心交换机最大支持51.2万卡组网42 图78：2023年首发800GCPO交换机42 图79：中兴400G框式及盒式交换机43 图80：锐捷网络数据中心交换机产品矩阵43 图81：锐捷网络推出AI-Fabric三级多轨网络架构43 图82：共进股份推出数据中心交换机产品44 图83：菲菱科思推出12.8T交换机44 表1：以太网设备发展阶段7 表2：交换机应用场景广泛8 表3：框式、盒式交换机各司其职，满足不同场景需求12 表4：框式交换机向零背板架构发展12 表5：两层与三层无收敛组网的GPU最大节点数量22 表6：B200组网服务器与交换机对应关系23 表7：WDM/MEMS方案商用程度较好38 表8：交换机行业受益标的估值表41 1、交换机：AI时代的核心网络通信设备 以太网交换机是重要的通信网络设备，随着全球AI的高速发展，AI集群规模持续增长，AI集群网络对组网架构、网络带宽、网络时延等方面提出更高要求，带动交换机朝着高速率、多端口、白盒化、光交换机等方向持续迭代升级，我们认为AI时代交换机有望迎来四大产业变革新机遇。 交换机变革1：AI集群新增后端组网需求，集群规模持续增长，以太网占比有望逐步提升，有望带来大量高速以太网交换机需求 （1）AI训练集群带来GPU互联需求，新增后端网络组网需求。AI服务器比传统服务器新增GPU模组，GPU模组通过对应的网卡与其他服务器或交换机互联，实现各节点之间的通信。因此相比传统网络架构，AI服务器组网增加后端网络组网 （BackEnd），增加了每台服务器的网络端口数量，拉动对高速交换机、网卡、光模块、光纤光缆等组件需求。 （2）AI集群加速Scaleout，万卡、十万、百万卡集群组网带来大量高速交换机需求。随着AI模型参数持续增长，带动集群规模从百卡、千卡拓展至万卡、十万卡，Scaleout推动组网架构从2层向3层、4层架构拓展，带来大量高速交换机需求。 （3）以太网网络根基深厚，生态厂商众多，AI网络中以太网网络占比有望持续提升。IB网络凭借低延迟、堵塞控制以及自适应路由等机制，仍然主导AI后端网络，但随着以太网网络部署的不断优化，超以太网联盟加速发展，我们认为未来以太网方案占比有望持续提升，带动以太网交换机需求增长。 交换机变革2：AI网络带来低时延、大带宽等网络需求，400G/800G交换机持续放量，1.6T交换机加速落地 AI大模型参数量持续增长倒逼集群规模提升，叠加AI芯片带宽提升，促使交换机端口速率及交换容量同步升级。交换机