中國光模塊市場(chǎng)發(fā)展預測分析及5G新應用帶動(dòng)需求

二、5G新應用帶動(dòng)需求側景氣高企，供給側國內廠(chǎng)商蓄勢待發(fā)，400G光模塊逐步成為數通市場(chǎng)主角

1、需求側：超大規模數據中心建設進(jìn)入400G時(shí)代，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢

全球數據中心建設呈現大型化和集約化特點(diǎn)，轉向更大規模發(fā)展。全球數據中心數量呈現逐年下滑的趨勢，但機架數仍維持增長(cháng)，預計到2020年全球數據中心約為42.2萬(wàn)個(gè)，機架數量則達到498.5萬(wàn)架，服務(wù)器將超過(guò)6200萬(wàn)臺，每個(gè)數據中心的平均機架數呈明顯的上升趨勢，數據中心轉向更大規模的趨勢發(fā)展。從2012年至今，數據中心開(kāi)始進(jìn)入整合、升級和云化的新階段，如美國數據中心從粗放式發(fā)展階段進(jìn)入規模建設階段，發(fā)展模式將轉入以改建和擴建等利舊建設，2018年美國數據中心建設主要以改建和擴建為主，新建規模占比降低至20%。

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超大規模（Hyperscale）數據中心建設持續高景氣周期?！俺笠幠！钡亩x各不相同，一般指擁有5萬(wàn)-10萬(wàn)服務(wù)器的數據中心，認為是擁有“幾十萬(wàn)臺服務(wù)器，有時(shí)甚至是數百萬(wàn)臺”。 2018年全球超大規模供應商運營(yíng)的大型數據中心數量將達到430個(gè)，同比增長(cháng)了11%，到2019第三季度已突破504個(gè)，目前還有151個(gè)超大規模數據中心正在規劃或在建設當中，超大規模數據中心的建設高景氣將有望持續。預計到2021年，超大規模數據中心的服務(wù)器數量將占全部數據中心服務(wù)器總量的53%，流量占比將達到55%，成為市場(chǎng)主力。

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超大規模數據中心作為新技術(shù)擔當，代表數據中心未來(lái)的發(fā)展方向。超大規模數據中心的軟硬件設計、配置、能耗和管理運維等技術(shù)要求較高，通常需要綜合技術(shù)能力和資金實(shí)力較強的大型互聯(lián)網(wǎng)公司才有能力設計建設和運營(yíng)，其技術(shù)預研的方向往往被認為是代表數據中心技術(shù)發(fā)展的方向。業(yè)界普遍認為谷歌、亞馬遜、微軟、Facebook、騰訊、百度以及阿里巴巴等可以被稱(chēng)為超大規模數據中心運營(yíng)商。亞馬遜和微軟在過(guò)去的12個(gè)月內開(kāi)設了最多的新數據中心，合計超過(guò)總數的一半。緊隨其后的是谷歌和阿里巴巴。從地區上看，美國超大規模數據中心數量占比始終是全球最大，但近年隨著(zhù)中國、日本等地區數據中心建設熱潮的興起，占比逐漸下滑。

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數據中心東西流量遠超南北流量。一般的數據中心內部主要由服務(wù)器、交換機和路由器組成。其中服務(wù)器提供數據的存儲、計算、控制等功能，是數據中心的核心；交換機作為數據中心的骨干組成，搭建起數據中心內外部的神經(jīng)中樞，通過(guò)連接服務(wù)器與服務(wù)器提供東西流量通道，連接服務(wù)器與路由器提供南北流量通道；路由器主要承擔數據中心數據的進(jìn)出口流量的傳輸和控制。據Cisco預測，數據中心的所有數據流量中，東西流量占比將在2021年達到85%，南北流量?jì)H占15%。其中數據中心與數據中心之間的流量占比將由2016年底的10%提升到將近14%，超過(guò)數據中心內部（75.4%->71.5%）和數據中心到用戶(hù)流量（基本維持在14.5%）的增長(cháng)，這主要是受CDN網(wǎng)絡(luò )、云服務(wù)和數據中心備份等應用場(chǎng)景的增加所致。

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2、需求側：400G交換生態(tài)圈已成熟，提振光模塊需求空間，加速市場(chǎng)爆發(fā)

交換機是數據中心里十分重要和關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò )設備，SDN催生白盒化模式。作為數據中心內部數據傳輸通道的骨干，交換機的容量和速率決定了數據中心可對外提供的能力。數據中心借助交換機協(xié)同內部密集的服務(wù)器陣列進(jìn)行整合，對外提供存儲和算力等服務(wù)。東西向是數據中心占比最多的流量應用場(chǎng)景，內部數據傳輸通道的帶寬很大程度上決定了數據中心整體能力的表現。目前市場(chǎng)的交換機按軟硬件內部設計界面劃分，可分為裸機交換機、白盒交換機和傳統商業(yè)交換機等，其中傳統商業(yè)交換機為傳統常見(jiàn)的模式，由設備商自行設計硬件并加載操作系統，提供功能通用的交換機，常見(jiàn)的制造企業(yè)包括思科、華為、Juniper等；裸機交換機則主要由制造商提供組裝好的硬件，由用戶(hù)自行加載操作系統，制造商通常為ODM廠(chǎng)家，如Accton，QuantaQCT等；白盒交換機則是近幾年興起并得到超大規模數據中心運營(yíng)商青睞的交換機種類(lèi)，在軟件定義網(wǎng)絡(luò )（SDN）出現以后，通過(guò)軟件控制器和直接流表轉發(fā)的白盒交換機就可以完成數據中心網(wǎng)絡(luò )的部署，而且這種網(wǎng)絡(luò )部署快、成本低、便于維護，十分適合超大規模數據中心的批量建設。據CrehanResearch的統計，2018年亞馬遜、谷歌和Facebook對白盒交換機的購買(mǎi)規模已經(jīng)超過(guò)了其市場(chǎng)總規模的三分之二，雖然白盒交換機在數據中心交換的整體市場(chǎng)采用率在20％的范圍內，但是亞馬遜，谷歌和Facebook傾向于更早采用這些設備以滿(mǎn)足對更新更快網(wǎng)絡(luò )速度的追求，白盒交換機將繼續增長(cháng)。目前谷歌幾乎所有400GbE數據中心都是白盒級交換機驅動(dòng)的。

3、硅光模塊，400G光模塊市場(chǎng)的攪局者還是賦能者？

硅光技術(shù)有效提高光模塊集成度，更適用未來(lái)高速光模塊生產(chǎn)。硅光技術(shù)主要是基于CMOS工藝，在同一硅基襯底上利用蝕刻的方法，同時(shí)制作光子器件和電子器件，實(shí)現光信號處理和電信號處理的深度融合，形成一個(gè)具有綜合功能的完整大規模集成芯片。傳統光模塊采用分立式結構，光器件部件多，封裝工序復雜且需要較多人工成本。相對傳統的分立式器件，硅光模塊將多路激光器，調制器和多路探測器等光/電芯片都集成在硅光芯片上，體積大幅減小，有效降低材料成本、芯片成本、封裝成本，同時(shí)也能有效控制功耗。硅光芯片內的功能部件主要通過(guò)光子介質(zhì)傳輸信息，連接速度更快，因此更適合數據中心和中長(cháng)距離相干通信等應用場(chǎng)景。其中在400G光模塊領(lǐng)域，由于單通道光芯片速率瓶頸問(wèn)題，多通道的PAM4電調制方案不可或缺，而電調制帶來(lái)的損耗較大，要求傳統方案光模塊內部激光器、調制器、DRIVER、MUX等器件更加緊湊，激光器芯片處于裸露狀態(tài)，受環(huán)境損耗的可能性大幅度提升。另外通道數的增加導致器件數量增加，器件集成復雜度和工作溫度提升帶來(lái)的溫漂問(wèn)題都具備較大挑戰性。硅光方案通過(guò)高度集成能很好解決以上問(wèn)題。

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硅光技術(shù)逐漸成熟，400G硅光模塊已具備商用條件。關(guān)于硅芯片上的光源主要有兩種主流的方案，通過(guò)外置激光器導入光源（Luxtera）和通過(guò)激光器粘合在硅芯片上（Intel），兩種方案均已有成熟商用產(chǎn)品。其中在400G光模塊場(chǎng)景中，Intel在成功推出100G光模塊的基礎上，繼續使用在硅晶圓上粘合InP光源的方式推出了400GQSFP-DDDR4光模塊。業(yè)界認為DR4將是400G硅光模塊的基礎形態(tài)，既可以實(shí)現1分4的Breakout組網(wǎng)，實(shí)現與已有的100GDR1/FR1對傳，又可替代接入側短距離多模400G光模塊的互聯(lián)，具備端到端成本競爭力。此外在單纖傳輸的優(yōu)勢下，與多波長(cháng)光源封裝即可輕易切換為WDM模塊形態(tài)。

硅光模塊市場(chǎng)規?？焖倥榔?。硅光模塊市場(chǎng)仍處于爬坡階段，但市場(chǎng)空間增長(cháng)速度較快，硅光模塊在2018年-2024年間的復合年增長(cháng)率將達到44.5%，有望從2018年的4.55億美元增長(cháng)到2024年的40億美元，屆時(shí)有望占整體市場(chǎng)規模21%，較2018年增加約10個(gè)百分點(diǎn)。硅光模塊的市場(chǎng)主要集中在相干通信和DCI應用場(chǎng)景。

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相干光通信及數通400G模塊有望成硅光最佳市場(chǎng)切入點(diǎn)。目前硅光模塊市場(chǎng)的競爭者主要集中在Luxtera和Intel之間，兩者均已推出應用于DCI市場(chǎng)的100GPSM4產(chǎn)品，另外Intel還有100GCWDM4產(chǎn)品，另外Acacia也占據一定的份額，主要在相干通信領(lǐng)域。Luxtera和Acacia已先后被Cisco收購，表明Cisco對硅光模塊市場(chǎng)的信心。目前已商用的100G硅光模塊無(wú)論在良率還是成本控制方面與傳統分離式方案相比還不存在競爭優(yōu)勢，因此硅光技術(shù)的市場(chǎng)沖擊還不明顯。未來(lái)隨著(zhù)數據流量的快速增長(cháng)，電信骨干網(wǎng)城域網(wǎng)和數據中心間DCI鏈接由于更長(cháng)距離和更大容量的傳輸需求進(jìn)入相干光通信時(shí)代；數據中心內部也進(jìn)入400G時(shí)代。硅光技術(shù)在相干光通信和400G模塊中具有顯著(zhù)的技術(shù)和成本優(yōu)勢。相干光模塊需要使用更多的電子器件實(shí)現相干調制功能，硅光技術(shù)可有效實(shí)現電芯片的高度集成；400G光模塊需要對多路光通道進(jìn)行更高速率的PAM4調制，硅光技術(shù)高度集成調制器，同時(shí)可使用單一光源實(shí)現4路信號的調制和傳輸，更具成本優(yōu)勢。相干光通信和400G光模塊（如短距離DR4）有望成為硅光技術(shù)的最佳市場(chǎng)切入點(diǎn)。

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硅光技術(shù)發(fā)展迅速，寡頭市場(chǎng)或迎來(lái)更多競爭者。未來(lái)隨著(zhù)技術(shù)的不斷推進(jìn)，將有越來(lái)越多的競爭者加入，如阿里已發(fā)布基于硅光技術(shù)的400GDR4光模塊，與Elenion和海信寬帶的深入合作及聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，預計2020年下半年將在阿里全球數據中心投入使用；博創(chuàng )科技推出了高性?xún)r(jià)比的400GQSFP-DD數據通信硅光模塊解決方案DR4(500m)和DR4+(2km)；亨通光電與英國洛克利硅光子公司合作開(kāi)發(fā)400G硅光子片及光子收發(fā)器技術(shù)，并已發(fā)布采用此硅光技術(shù)的400GQSFP-DDDR4模塊。未來(lái)的硅光市場(chǎng)有望呈現兩超（Intel和Cisco）多強的競爭格局。

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硅光產(chǎn)業(yè)鏈布局完整，Fabless模式有望進(jìn)一步推動(dòng)硅光模塊成熟商用。硅光應用經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，充分利用已有產(chǎn)業(yè)資源，形成自己特有的成熟產(chǎn)業(yè)鏈。與半導體產(chǎn)業(yè)鏈類(lèi)似，硅光產(chǎn)業(yè)鏈涉及有上游的SOI、晶圓材料生產(chǎn)，硅芯片設計和生產(chǎn)，光模塊的封裝生產(chǎn)，中游的光模塊封裝生產(chǎn)以及下游設備和互聯(lián)網(wǎng)和電信運營(yíng)商等最終客戶(hù)。其中硅光芯片的產(chǎn)業(yè)格局也與半導體類(lèi)似，存在有IDM和Fabless兩種模式，其中前者的代表為Intel；Fabless的模式如Luxtera與臺積電合作生產(chǎn)硅光芯片。Fabless產(chǎn)業(yè)模式的成熟將會(huì )催生更多的硅光設計公司，有望進(jìn)一步推動(dòng)硅光技術(shù)的發(fā)展和硅光模塊的成熟商用。

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硅光模塊優(yōu)勢與劣勢明顯，短期難完全取代傳統光模塊，或在細分領(lǐng)域彰顯特點(diǎn)。硅光模塊基于大規模CMOS集成生產(chǎn)，優(yōu)勢十分明顯，包括低能耗、低成本、帶寬大、傳輸速率高等。但同時(shí)由于硅光芯片在材料和生產(chǎn)技術(shù)方面的復雜，還存在著(zhù)明顯的劣勢：1)良率不高導致生產(chǎn)成本高，同時(shí)傳統分立方案成本在持續優(yōu)化，硅光模塊成本優(yōu)勢尚不明顯；2)硅波導與光纖的耦合效率低導致?lián)p耗較大，不利于長(cháng)距離應用；3)硅光芯片集成的合分波器件存在溫漂問(wèn)題，所以目前成熟常用的400G硅光模塊主要以DR4為主，限制了硅光技術(shù)應用場(chǎng)景。光模塊作為連接網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵部件，產(chǎn)業(yè)鏈下游客戶(hù)更關(guān)心的是實(shí)現同等傳輸性能技術(shù)上的綜合成本，對內部實(shí)現的技術(shù)并不敏感。我們認為在短期硅光模塊難以完全取代傳統光模塊，下游客戶(hù)仍需要較長(cháng)的時(shí)間去認證和認可，但可能會(huì )在某些細分領(lǐng)域會(huì )發(fā)揮其成本、能耗和速率等優(yōu)勢率先取得突破，并逐漸取得相應的市場(chǎng)份額，如在數據中心領(lǐng)域已實(shí)現商用的100GPSM4和CWDM4，以及未來(lái)的400GDR4。傳統分立光模塊與硅光模塊將會(huì )長(cháng)期共存。