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光通信行业深度报告:三问三答,硅光对光模块产业影响几何

从 Luxtera、Inphi、Acacia 收购看硅光商业价值

思科收购 Acacia 达成共识,收购价上调至 45 亿美元:2019 年 7 月,思科宣布拟斥资 26 亿美元收购业内领先的硅光公司 Acacia。2021 年 1 月 14 日,双方就收购协议达成 新的共识,收购价达到 45 亿美元,较此前的 26 亿美元上调超 70%,据披露 2020 年 Acacia 营收预计为 5.81 亿美元,净利润为 0.90 亿美元,对应收购的 PS 估值约 7.7 倍, PE 估值约 50 倍。

Acacia 是全球领先的相干光通信厂商。早期 AC 和 CFP 封装产品主要聚焦电信城际/骨干传输(400-1000km)的场景,2019 年之后也发布了 ZR 模块拓展 DCI/边缘接入(80- 120km)等数通传输场景。Acacia 具备自研的相干 DSP 芯片及业内领先的硅光集成及封装工艺,2011 年以来累计发布 DSP 芯片 8 款,累计出货相干光模块超 50 万只,其中 CFP/CFP2 DCO 产品市场份额第一。在中兴禁运令之前 Acacia 是中兴骨干网相干模块的主力供应商,2017 财年公司 30%的收入来自中兴。

2018 年 Acacia 发布 AC1200 模块,为业内首个实现 1.2T 的传输速率的模块产品。

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从收购价值看 Inphi>Acacia>Luxtera,或反映天花板差距:此前被 Marvell 斥资 100 亿美元收购的 Inphi,2020 年营收体量约 7 亿美元,折算收购价的 PS 倍数超过 14 倍, 且 Inphi 还处于亏损状态,Acacia 的这笔收购似乎并不贵。我们认为 Acacia 被收购的估值偏低或因为其相干技术更聚焦电信市场,而 Inphi 则深耕于市场空间更大的数通市场,以传统方案模块为重心,硅光方向选择了更具成长性的数通 DCI 市场。Acacia 并非思科首次收购硅光子公司,2019 年 2 月思科作价6.6 亿美元收购另一家数通硅光收发器厂商 Luxtera。我们认为 Luxtera 相较前两家较低的收购价或主要由于其业务仅覆盖硅光数通短距场景,市场空间存在天花板,且缺乏核心的 DSP 技术。

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为深刻剖析硅光的商业价值及其对光模块产业的影响,本篇报告将从三个维度为市场解惑硅光技术:

  1. 硅光如何影响数通升级路径?
  2. 相干技术商业价值几何?
  3. 大硅光时代传统模块厂何以破局?

硅光如何影响数通升级路径?

何为硅光?硅光何用?

硅光集成芯片为“硅基+III-V 族”结合。根据基板(衬底)材料不同,可将有源光芯片分为III-V 族,即 InP(用于 DFB、EML)/GaAs基(用于 VSCEL)、硅基(Ge/Si 探测器)和SiP(III-V 族和硅基的集成芯片)等系列。硅光集成工艺,即不用 III-V 族材料改用硅基衬底材料为光学介质,基于 CMOS 工艺兼 容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件。有两类加工方式(自有 Fab、开放 Fab 的 MPW);依据不同的光源封装方式,封装的方法可分为外部光源、贴装光源等。

数通短距硅光模块取得局部商业成功

目前硅光的应用领域包括:

  1. 数通短距模块
  2. 相干传输模块
  3. 光电合封(CPO)数通短距领域

硅光技术的应用开启降本提效的新路径:随着客户对可插拔模块的传输速率、成本、体积、功耗核心痛点的要求持续提升,新的封装形式开始兴起。2014-2016 年 Luxtera 和 Intel 先后发布采用硅光工艺的 100G PSM4 和 CWDM4 模块,相较传统分立器件封装,硅光集成封装凭借更低的 BOM 成本,取得一定程度的商业应用。尽管硅光模块未得到所有下游厂商的认可,但硅光技术的应用开启光互联降本提效的新路径。

未来 CPO 或为硅光的最大应用场景

光互联核心痛点可概括为传输速率、体积、成本、功耗四个方面。可插拔光模块大约 20 年前由当时的 HP 公司最先引入,由于使用方便广受欢迎,伴随技术规格持续演进,可插拔模块已成为目前最成熟光互联封装方案。据 Lightcounting 测算,过去 10 年里全球销售的可插拔光模块已达到 10 亿只。

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随着可插拔模块的升级逐步接近技术极限,CPO 被认为是下一代封装技术。CPO 借助硅光集成的工艺将光电芯片和交换机芯片封装在同一个基板上面,不再需要射频走线和 Redriver/Retimer,显著降低单光路通道的功耗,I/O 端口及成本问题,为目前业内认为有望实现最高集成度、最小功耗和最低成本的下一代封装方案,但目前还没有一个统一的技术标准。而 OBO 介于可插拔和 CPO 之间是一种相对小众的技术方案。

CPO 方案具备诸多革新意义,有望成为硅光最大的应用场景

速率突破:以 25.6Tbps 交换容量的 CPO 方案为例,在 PCB 板上空间中集成交换机 ASIC 芯片和 16 片硅光子集成芯片。每片硅光子集成芯片包含16 个1310nm 光通道,每个通道支持 106 Gbps PAM4 速率,实现单芯片1.6Tpbs,相较可插拔方案 4/8 并行通道,集成度有显著提升

超低功耗:通过省去光模块与 PCB 板上交换芯片之间的铜线,CPO 方案能显著降低整个光互联方案的功耗。SiP 集成芯片的功耗比大约是0.5pJ/bit显著低于III-V 族材料光芯片 15-20pJ/bit 的功耗比,能解决光通路随着传输速率提升功耗过高的瓶颈。

简化架构:CPO 方案舍弃了可插拔模块的形态直接以芯片—芯片的方案实现光电转化和互联,进而节省了射频走线和 Redriver/Retimer 等器件成本。

渗透推演:400G 小规模、800G 或提升、1.6T 迎爆发

怎么看数通短距 400G 硅光模块渗透率?业内对硅光数通模块的期待主要来自成本和功耗两个方面。

  1. 成本:实现并行多路的共享光源架构,节省器件成本;硅材料比III-V族化合物半导体材料便宜;有望发挥CMOS工艺规模优势。
  2. 功耗:硅材料阻抗低,驱动电压低,其功耗也较低。
  3. 集成度:相 较于传统分立器件封装,相同光通道数,体积更小。以 400G DR4 硅光模块为例,硅光 封装可共享一个光源,且不需要 EA 调制,相较传统方案 4 片 EML 芯片的架构能有效降低光模块的 BOM 成本;更高的器件集成度也意味着封装良率能实现更快的爬坡。

100G 数通硅光方案整体渗透率约为 20%-25%:100G 时代,硅光模块的主要玩家 Intel 于 2017 年开始批量出货 100G 硅光模块,据 Intel 披露,其 100G 硅光模块累计出货量在 400 万只,而 Luxtera 100G 硅光模块累计出货量或在 200 万只。我们测算 2017- 2020 年,100G 数通光模块的累计出货量或在 2700 万的水平,测算100G 硅光模块渗透率大约在 22%。其中核心应用场景 CWDM4 和 PSM4 的渗透率或在 30%以上

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核心瓶颈未突破,400G 硅光方案难言大放异彩:目前来看,100G 时代制约硅光方案得到大规模应用的几个技术瓶颈在 400G 时代依旧未得到有效解决。由硅光插损较大,目前仅在短距传输中能保持足够的可靠性。我们预计 400G/800G 时代,SiP 方案或主要应用于 500m 的场景,主要和 EML 方案竞争,而作为过渡的 200G 方案,硅光方案性价比不明显,或不会出现硅光的应用。目前硅光技术无法实现有源功能器件的集成(光源、光放大器),因而较分立器件封装集成度提升有限,大规模商用仍存在阻碍。

硅光无法直接复用成熟的 CMOS 工艺:尽管硅光子和微电子都是基于硅材料的半导体工艺。但目前硅光还无法复用当前的 CMOS 工艺及 Fab 产线,不作修改的微电子工艺平台无法制备出高性能的硅光子器件,需要定制硅光工艺。硅光子工艺当前的发展水平相当于 20 世纪 80 年代初微电子的水平,自动化、系统化和规模化都还存在差距。

400G 硅光方案价格优势或有限:我们在数通市场,无论是 400G 或是 800G 短距传输,硅光方案主要看点在于性价比。我们预计硅光 400G 方案出货批量出货时,400G DR4 的两大核心供应商产品良率爬坡至少已进行 1 年-2 年的时间,工艺成熟度要明显高于硅光方案。从目前 400G DR4传统方案的降价趋势来看,或于 2021-2022 年实现云商客户的 1 美元/G 价格目标,硅光方案的价格优势可能已不明显。

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未来 2-3 年 400G 硅光渗透率或难超 100G 同期,其中核心原因在于升级路径分化的背景下,主要应用场景 400G DR4 的量或小于 100G 同期的 CWDM4+PSM4。我们预计 2021H1 亚马逊或开始引入 400G DR4 的硅光方案,其渗透率水平或高于 100G 同期的CWDM4 和 PSM4(考虑到供应商或增多),但对于其他云商客户,2*200G 方案或 200G 方案聚焦 2km 的场景,硅光方案或无法切入,因而整体渗透率或难以超过 100G 同期

800G 可插拔或仍是主力,1.6T 开始向相干&CPO 演进

交换芯片技术演进为数据中心升级主要推手。商用交换机芯片领域,博通一直以来占据主导地位,市场份额70%+。从 2010 年开始,博通的商用交换芯片容量大约 2 年一番 (2019 年 12 月推出 25.6T 交换容量芯片),而更大容量的交换机驱动更高传输速率的 光模块方案的迭代,其中部分依赖通道数翻倍,部分依赖通道速率增长。

博通展示 CPO 兼容的交换机 ASIC,51T 时代或于 2023 年到来:2021 年 1 月 12 日,博通展示其第一款可搭载 CPO 的交换机 ASIC 芯片 Humboldt,交换容量为 25.6T,预计将于 2022 年末推出,而下一代 51.2T 交换机 ASIC 芯片 Bailly 或于 2023 年推出。博通同时展出其 800G DR8 硅光模块,用于 25.6T 和 51.2T 交换机。

102T 时代模块侧光电通路速率或接近技术极限。目前业界认为交换机侧 112G Serdes 的端口速率,对应模块侧 100G 的光电通道速率,具备技术可行性,即 51.2T 交换机容量下模块依旧可用。当交换机升级到 102.4T 的容量之后,交换机电口速率将达到 224G+ Serdes。模块侧电通路速率 200G 或达到工程极限,200G 光通路也面临色散距离受限 的瓶颈(200G PAM4 光路只能传 1.5km,无法满足数通 2km 的传输要求)。目前业内 较认可 51.2T 时代 CPO 方案或更多的是技术探索,102T 时代 CPO 方案将迎来放量。

800G 传统可插拔或依旧是主力,1.6T 开始向 CPO 和相干方案演进:目前 800G 主流可插拔方案 PSM8 和 2*FR4 光路和电路速率都为 100G,8 通道封装(OSFP),具备技术可行性,可插拔方案或依旧是主力。我们预计800G 传输速率下硅光封装渗透率会有提升(硅光的性价比进一步提升),而 CPO 方案或更多的是技术探索。但是从 1.6T 开始,传统可插拔速率升级或达到极限,后续光互联升级或转向 CPO 和相干方案。

目前 CPO 方案成熟度有限,真正上量或需等到 2026+:目前 CPO 方案存在诸多核心瓶颈,例如:

  1. 插损太大导致传输距离无法满足需求;
  2. 硅光子芯片过于集中带来的功耗管理问题;
  3. 良率太低等。综合来看,CPO 方案距离规模商用还有一定距离。

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据 Lightcounting 预测,CPO 方案或于 2024-2025 年开始商用,或于 2026-2027 年开始规模上量,主要应用于超大型云服务商的数通短距场景。目前 CPO 有两大分支:

  1. 基于 VCSEL 技术,多模光纤,应用场景 30 米以内,针对超算及AI机群的短距离光互联(IBM 为代表);
  2. 基于硅光技术,单模光纤,应用场景 2 公里以下,大型数据中心机架及机群之间光互联的应用(微软和 Facebook 为代表)。

数通升级节奏呈现分化,可插拔来日方长

数通 400G 升级路径呈现“高中低”分化,200G 方案或崛起:从应用来看,高性能运算、AI、机器学习等超大带宽应用还在爆发前夜。由于不同的互联网客户对 IT 负载的需求和带宽升级的迫切性不同,从数通 100G 升级到 400G 分化为(高配、中配、低配) 3 条路径:

  1. 高配:服务器端口速率升到 50G、TOR 和脊叶交换机升级到 400G;
  2. 中配:采先将脊叶交换机升级到 400G,用 Breakout 方案连接 100G TOR,服务器和 TOR 保持不变;
  3. 低配:先升级到 200G 作为过渡,再升级到 400G 或 800G。整体升级节奏较 100G 时期有较明显的放缓,200G 方案或崛起替代部分 400G 需求。

升级节奏分化使得拉长模块产品生命周期,模块厂商应对变革窗口期更长:我们认为,过往数通升级节奏较快,而进入 400G+时代后升级节奏或有分化,或带来更多存量模块的替换需求(数通光模块的产品寿命约为 3-5 年),并拉长可插拔模块的整体产品生命周期,给传统模块厂商更多时间和资本去应对 CPO 等大的行业技术大变革。

相干技术商业价值几何?

何为相干?相干何用?

相干调制本质上是通过更高级的调制技术来提升光通道的传输速率:有三个维度可以用来增加传输的信息量:

  1. 更高符号速率;
  2. 更多并行通道数;
  3. 高阶复杂调制。

PAM4 就是一种高阶幅度调制,在相同的符号速率下可以传输 NRZ 信号两倍的 bit 数,而相干光通信则利用光波的更多维度,偏振,幅度,相位和频率来承载更多的调制信息,从而扩充了传输容量,例如 16QAM 调制可以使 1 个 Baud 光信号可以传输 4 个 bit 数,而 Acacia 最新的 DP-64QAM 调制可传输 12 个 bit,最高可实现 1.2T 的速率。

长距传输中相干技术能解决色散难题,节省器件开支:长距传输中由于不同波长到达相同距离光纤的时间不同,不同相位状态光传播的速度不同会导致色度色散和偏振模色散。长距相干探测可以进行数字信号处理色散问题,作为色散补偿光纤/光栅的低成本替代方案。

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硅光集成技术推动相干模块快速产业化:相干检测需要更复杂的多通道调制解调平衡探测组合,对模块的集成度要求高,因而硅光集成技术成为相干检测大规模商用的重要技术基础。2010-2020 年是相干模块快速产业化的十年(从 5*7 吋CFPQSFP-DD),得益于硅光的高集成度优势和 DSP 工艺的优化,相干光模块的尺寸和功耗持续改善,商用性显著提升。

相干 100G/200G 技术已成熟,400G+逐步上量:在长距核心和骨干网,高速相干检测波分技术已成为主流,其中 100G/200G 相干技术已经成熟并大规模商用,400G 相干模块逐步上量。据 Omdia 数据,未来几年,由相干模块所承载的带宽年均增速在 30% 以上。据 Lightcounting 预测,2020 年 100G+相干收发模块产值有 8 亿美金(不包括系统厂商自研自产部分),在 2024 年或达到 15 亿美金,预计 2020-2024 年 CAGR 达到 16.6%,大部分成长会来自数通 DCI 市场。

OpenZR+标准成熟或推动相干模块应用场景增加:过往相干主要标准为OpenROADM, OIF 400ZR。在技术上,两者最大的区别在于 DSP 芯片中的 FEC 算法。应用场景上, OpenROADM 主要应用于电信级超长距(>120km),而 ZR 一般用于 DCI 等 120km 以内的场景。更进一步,Acacia 还主导了一个 Open ZR+的产业联盟,结合了 OpenROADM 和 400ZR 两个业内规范,实现二合一的版本。

云商自建 DCI 网络,相干市场 TAM 或翻倍

带宽需求剧增&传输成本降低,驱动云商自建 DCI 网络:由于云和大型互联网厂商业务体量快速增长,且网络结构趋于分布交互式,数据中心之间流量也呈现高速增长,对 DCI 传输提出更高的要求。过去在 Gbit/s 级带宽时代,由于数据传输量不大,光纤资源难以 获取,网络传输设备复杂非通信专业人员难以运维,云商主要通过租赁专线来实现 DCI。带宽进入 10Gbit/s 时代后,数字经济驱动推动了光纤的大量铺设,以及传输设备和模块成本的持续降低,使得自建 DCI 经济性显著提升。

据华为测算,以欧洲某国城市专线价格为例,对比租赁费用,自建的 DCI 带宽越高,越快达到投资平衡点。此外,相比租赁专线,自建 DCI 带来更好业务体验。据 OVUM 预 测,DCI 市场投资近 5 年 CAGR 或达 12%,自建 DCI 已成为全球数字经济转型投资中 的重要方向。

ZR 模块直连或节省云商开支,商业价值巨大:云商迈入自建 DCI 时代后,早期的传输架构类似于电信网络,先用灰光模块将核心交换/路由连接至 OTN 系统或者 DCI 盒子, 再通过电信骨干网络进行传输。随着硅光集成技术逐步成熟,以及相干模块成本持续降低,以 Inphi 为代表的 PAM 和相干 ZR 方案逐步加大应用。数通 DCI 的 ZR 模块方案能够帮助云商节省设备(OTN 系统或 DCI 合资)和模块(核心交换/路由连到 OTN 系统的灰光模块)的投资,且管理和运维成本也更低,商业价值巨大。

数通 DCI 模块市场空间或达 10 亿美金:2019 年 Inphi 的 100G COLORZ 模块出货量大约在 3 万只,按端口计大约占 DCI 市场份额的 34%,由此推算 2019 年 100G DCI 模块出货量大约在 10 万只。据新飞通预测,数通 400ZR/400ZR+的 DCI 模块市场规模到2024 年或达到 10 亿美金,2021-2024 年 CAGR 达 70%。

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海外厂商已有布局,国内头部厂商有望跟进:格局上,Inphi 目前是数通 DCI 模块的领先厂商,2016 年发布业内第一款数通 DCI 模块,主要客户是微软,其他 Acacia 和新飞通也有相关产品布局。国内厂商中,旭创和光迅对数通 DCI 市场已有所布局。2019 年 OFC 上旭创科技率先展示了其用于 DCI 市场的相干光模块,后续将推出 400G 的相干光模块产品。光迅科技在 DCI 模块及设备亦有布局,有望在国内市场逐步上量。

电信相干应用场景下沉,打开新增长空间

从骨干、城域核心汇聚到边缘接入,设备数量和光模块数量上,都是呈三角形结构。骨干网对带宽要求最大,优先考虑技术,对成本不敏感,最早架设,整个推动产业链发展。而边缘接入网设备及光模块需求数量远远大于骨干网,同时成本也更加敏感。

目前电信相干模块主要应用于骨干网和城域网的线路侧,属于 DWDM 长距彩光模块。由于城域和骨干网线路侧传输距离通常超过 80km(直接调制传输最大距离),因此线路侧模块基本都采用相干调制,综合来看用于骨干网的相干模块要多于城域网。

Acacia 和新飞通为全球 2 家核心电信相干模块供应商,以两家的合计营收大致估算电信相干市场规模或在5-10 亿美元规模

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电信市场相干或下沉至城域边缘层网络,有望迎来放量。目前城区固网业务以光纤直驱承载为主,郊县固网以县乡波分承载为主,目前以 10G 为主,未来将逐步引入 100G 模块,以适应业务升速及 5G 回传的综合承载。对于成本敏感、需求量大的城域边缘场景,硅光技术具备比较优势(集成度高,分立器件减少,非气密封装等),或带动 ZR 产品的规模应用,成为 100G LR/ER+大量透镜+色散补偿模块方案的高性价比替代方案

大硅光时代传统模块厂何以破局?

产业链价值分成或重塑,巨头玩家剑指 CPO 而非模块

硅光兴起或带动产业链价值转移:从产业链目前推出的硅光产品来看,由于大部分光电器件集成在芯片端已经完成,下游模块封装的附加值或转移至上游(硅光芯片设计和封装,以及光电合封环节),产业链分工格局重塑,因此随着硅光渗透率的提高,光模块封装环节的价值分成或面临下降,或对模块封装厂商带来较大的挑战。

硅光模块产业链怎么拆分?从封装的角度,硅光模块涉及的部件主要是光引擎/硅光集成芯片、DSP 芯片、驱动器、TIA。而硅光集成芯片可以分成 fabless 设计,foundry 的 MPW 服务及代工和后端的封测。目前全球硅光领域产业化较领先的玩家包括思科、Intel 和 Inphi。

近几年来包括思科、华为、Ciena、Juniper 等巨头纷纷通过收购布局硅光技术,大部分巨头并没有光通信的业务,收购硅光子公司更多是出于技术布局的目的,例如 Intel 提出的“集成光路”的愿景,立志将硅光技术应用于千亿级的 IC 市场。

光通信方面,巨头玩家真正目标或是 CPO 方案而非硅光模块。我们认为长期维度来看, CPO 方案对于 Intel、思科和博通等巨头玩家的潜在市场空间和商业价值要远高于硅光的可插拔模块。业内 Intel 和思科都通过并购上下游交换机芯片厂商、硅光芯片厂商形 成 CPO 方案的一体化布局,因此巨头厂商的模块产品对市场冲击或较为有限。

模块厂商通过自研+合作积极布局上游芯片设计:国内目前有参与硅光芯片自研的厂商主要包括亨通光电(携手 Rockley)、中际旭创光迅科技目前看产品和技术积累有所成效。其他光模块及器件厂商包括新易盛剑桥科技也有布局和硅光模块封装。此外天孚通信有望凭借其在精密光学制造的积累,切入硅光引擎封装环节。相干领域,光迅烽火背靠国家信息光电子创新中心的硅光工艺平台,旭创则联合国际一流硅光子厂商实现技术突破。

国内工艺平台逐步成熟,助力模块厂自研硅光芯片

硅光子作为尖端技术,国产替代势在必行:2015-2016 年伴随中美争端加剧,Intel 和 Acacia 等厂商先后被禁止向国内厂商供应硅光芯片/模块。2018 年国内首个硅光子平台 成立,2018-2020 年,在 NOEIC 联合产业力量先后推出 100G 硅光子芯片和 4*200G 硅光发射机,实现技术突破。

主流硅光流片平台主要集中在海外,国内的硅光工艺平台逐步成熟:目前顶尖的硅光工艺平台包括国家信息光电子创新中心硅光中试工艺平台,已形成商用条件并服务于多款国产化硅光芯片。北京的中科院微电子所和合肥的 38 所都可以对外进行硅光的 MPW 服务。作为硅光芯片流片的必要环节,硅光工艺平台的成熟有望加速硅光技术的国产替代进程。

本文转自:长江证券

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