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400G光模块或将在2019年规模化部署

未来几年光模块将主要应用于5G电信、数据中心以及消费光子类三大领域,尤其以电信和数据中心市场为主,消费光子领域仍处于早期研发和起步阶段。

整体来看,当前光模块绝大部分的应用场景仍局限在电信和数据中心信息传输中。受益于数据中心流量持续增长、传输速率不断升级、5G等新需求开始显现,光模块行业处于出货量持续增长、价值量不断提升的行业景气通道。

2019年将成为光模块市场的关键一年, 400GbE光模块开始规模化部署,对于拥有高端光收发模块研发能力的厂商来说是一次重要的历史机遇期。

未来运营商对数据中心需求量暴增

云计算在全球的快速增长推动了对大容量数据中心基础设施的巨大需求。虽然由于固定和移动宽带服务过早推动了网络带宽升级影响了新模块技术的演进,但是由于服务器虚拟化和软件定义网络(SDN)的扩展,超大规模数据中心的机器流量快速增长也改变了光模块创新和部署的趋势。

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根据某调研机构的最新数据显示,超大规模供应商运营的大型数据中心数量在2018年增长了11%, 到年底达到430家。2018年亚太地区和欧洲、中东和非洲地区在数据中心方面占据最突出的位置,但是美国仍占据主要云和互联网数据中心的40%。

在超大规模运营商中,亚马逊和谷歌在2018年新建了最多的数据中心,占新建总数的一半以上;另外,阿里巴巴和甲骨文在数据中心的业务也非常广泛,其余的数据中心企业主要集中在美国(苹果, Facebook, Twitter, eBay, 雅虎)或中国(百度、腾讯)。

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“Hyperscale的增长势头近年来丝毫不减,这些公司的营收每年平均增长24%,资本支出增长超过40%, 其中大部分用于新建数据中心。”该调研机构的首席分析师兼研究总监John Dinsdale表示,“除了正在运营的430个超大规模数据中心,目前还有132个处于不同规划和建设阶段的数据中心。数据中心的建设热潮没有尽头!”

低成本低功耗是数据中心对光模块要求
数据中心建设的浪潮对光收发模块的研制产生了重大影响,这在封装形式的选择上体现尤为明显。电信级应用首先采用CFP模块形式的100G技术,但是在数据中心更密集、更低功率的接口需求下,人们越来越多地选择SFP+, QSFP28等模块封装方案。

在更快速率的光学模块方面, DWDM使得多线路增加带宽的概念在线路侧传输网络中广泛使用了20年,而在短距离数据中心场景中波分复用的概念同样被引用。比如在500米短距离应用中,传统的100G PSM4使用4个25G激光器分别调制4路信号经4根光纤(MPO高密度连接器)传输100G的总体速率;另一种主流方案100G CWDM4采用4路不同波长的25G激光器通过MUX/DeMUX合分波。

随着超大规模数据中心市场的扩展,数据中心已经成为第一个要求400G以及以上数据速率传输模块的场景,满足这一要求的动力将导致市场的几个根本性转变。增加信道数目、PAM4高阶调制或是提高调制速率三种途径都能实现400G光模块的速率要求,但是未来的模块需要在通道数、带宽之间取得平衡,以适应允许的功率范围。

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现阶段人们还无法使用单一激光器降低成本,只能依靠优化无源器件的价格来提升竞争力。实现最低的成本,能够高效地大批量生产的能力——这推动了收发器组件设计的创新,重点是利用集成、自动化、晶圆级生产和气密性封装的优势。这种创新在接收光子学组件(ROSA)和发射光子学组件(TOSA)中是显而易见的,比如易飞扬(Gigalight)的Mini TOSA正是行业领先的设计体现。

总之,鉴于对机器容量需求的高增长,数据中心正在向400G互连进行迁移。数据中心光模块尺寸减小、成本低、功耗要求低的趋势需要光模块支持高阶调制,同时采用高度集成和晶圆级封装技术,以实现关键器件的成本降低。

数据中心400G光模块市场前瞻
根据OVUM统计,全球光模块/器件(包括光模块和各类无源器件)市场规模在100亿美元左右,年复合增速8.7%, 其中光模块占比57%左右(OVUM数据2016年光器件/模块总收入95.54亿美元,其中光模块总收入55亿美元)。

现阶段数据中心的100G方案已经成熟, 2019年400GbE初期部署将开启, 400GbE模块的攀升将从400G-DR4开始。谷歌2018年开始部署2*200GbE光收发器,腾讯也于2018年的三四月份开始了400G系统级测试。

LC预计, 200GbE, 2*200GbE和400GbE需求将把云计算的市场规模从2018年的23亿美元扩张到2023年的68亿美元, Ovum预测从2019年到2023年400G光模块市场的CAGR将高达221%。

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上图是国内主要数据中心的光模块部署规划。400G光模块的封装主要以QSFP-DD为主流,QSFP-DD标准组织成立于2016年3月,宗旨是“打造200/400Gbps以太网应用密度翻倍的QSFP光模块”。QSFP-DD对模块的性能、功能和良率等提出了更高的要求,并且QSFP-DD与原先的QSFP28拥有向后兼容性,在每个1U面板上可以布置36个端口,极大地提升了传输容量。

针对400G产品, IEEE和OIF等组织分别发布新标准,这标志着400G光模块真正迎来批量应用的时期。

▶ IEEE 802.3成立下一代200G与400G多模光纤物理层研究组,探索通过多模光纤实现200G/400G以太网的有效方法。

▶ IMT-2020(5G)推进组5G承载工作组首次完成多厂家多类型的5G承载光模块测评。测评工作从2018年11月底启动,中国信通院标准所承担具体测评任务,多家光模块商参加了测试。

▶ 以太网联盟进行25G-400G端口互操作性plugfest。2018年12月,以太网联盟在美国新罕布什尔大学互通实验室举办第二次高速网络互通测试,为从25G到400G各类以太网技术开发者提供一次标准符合和互通测试的机会。

小结
超大规模数据中心的发展改变了整个光模块市场的格局,虽然在过去的10年里光模块主要应用在城域网、核心网等典型领域。

从2019年开始, 400G光模块产品将全面于超大规模数据中心部署,光模块供应商可以通过改善激光器调制方式(EML/DML等), PAM4高阶调制以及DSP芯片补偿来驱动器件性能,优化无源器件的价格降低器件成本。

400G数据中心对于所有光模块厂商来说都是巨大的机遇,在趋于白热化竞争的行业里,未来谁主沉浮尚未可知。

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