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AI算力时代,光模块新技术演进路径

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vguangxian 发表于 2024-6-29 08:28:53 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
核心观点:

从光模块产品演进方向映射技术前瞻布局。随着数据流量爆发与下游应用的丰富,驱动光模块产品向着更小型化、更 高速率、更低成本的方向演进;同时,光模块已发展至800G以及后续1.6T等速率的升级,带动光模块相关技术路线的 前瞻研发与迭代升级。 CPO方案:AI算力下高效能比方案。CPO方案将引擎和交换芯片共同封装,缩短了光引擎和交换芯片间的距离,主要应 用于超大型云服务商数通短距场景,将有效解决高速率高密度互联传输。薄膜铌酸锂方案:技术突破,尺寸与集成度问题得以改善带来新发展。铌酸锂材料研究历史较早,具备优异性能;随 着薄膜铌酸锂新技术突破,大幅改善尺寸及价格问题,随着相干技术下沉为相干光调制器带来重要发展机遇。


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硅光方案:具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异三大优势。硅光模块在高速率传输网中优势明显,需 求增速将高于传统光模块;硅光模块有望在2025年高速光模块市场中占据60%以上份额。 LPO方案:成本优势突出,满足AI计算中心短距离、大宽带、低延时要求。相较DSP方案,LPO可大幅度减少系统功耗 和时延,适用于短距传输;而其系统误码率和传输距离较短的问题,因为在AI计算中心短距离应用场景下较为适配, 得以弥补。 我们认为,光模块作为AI算力环节中国产化程度高,技术储备前沿核心产品,受AI大模型发展驱动算力持续升级需求 将带来快速增长,建议关注前瞻布局CPO/LPO等新技术主要玩家以及产品批量及出货情况。


技术演进方向:更小型化、更高速率、更低成本

从光模块产品演进方向映射技术前瞻布局


光模块产品升级迭代路线:小型化、高速率、低功耗不断升级。 数据中心侧:随着数据流量爆发与下游应用的丰富,带动高速光模块速率的持续升级,当前全球主要玩家800G进入 导入验证及批量出货进程,1.6T产品不断前瞻研发中。 电信侧:随着“双千兆”网络建设持续推进,不断推动国内外10G PON光模块持续升级。此外,海外光纤到户渗透率 较低,随着新一轮升级改造,海外PON模块有望加速发展。


产品向高速率升级,驱动多种技术路线变革。 从光模块产品演进方向映射技术前瞻布局,随着人工智能、物/车联网、工业互联网、AR/VR等新技术的逐步应用与产业化带来数据流量的快速增长,数据中 心进一步向大型化、集中化转变,将带动高速率及中长距离光模块的快速发展。目前全球主要的云厂商已在数据 中心内部批量部署200/400G光模块,随着AIGC发展趋势明朗,高算力需求催化更高速率的800G/1.6T光模块需求。 由于光模块速率升级过程中会带来功率损耗、信号失真等问题,以及速率提升中对光芯片性能提出了更高要求, 进而导致整体成本提升,驱动更高速率光模块的多种技术演进。


CPO:AI算力下高效能比方案

大模型时代催生高算力需求


大模型时代带来高算力需求,降低功耗将为超算厂商带来竞争优势。 大模型时代催生高算力需求 图表3:大模型时代算力需求 www.cgws.com 6 据OpenAI测算,自2012年以来,全球头部AI模型训练算力需求3-4个月翻一番,每年头部训练模型所需算力增长幅 度高达10倍。高算力需求会带来功耗上的提高,超算厂商的成本也会随之上升。因此,在算力需求快速提升的背 景下降低功耗将为超算厂商带来竞争优势。


CPO技术:光电一体封装,大幅降低功耗


CPO技术具有低功耗、高性能、高质量、高传输的优势,随着5G时代高带宽的计算、传输、存储的要求,以及硅光技术的成熟,板上和板间也进入了光互联时代,通道数也大 幅增加,封装上要求将光芯片与ASIC控制芯片封装在一起,以提高互联密度,提出了光电共封装(CPO)的相关概念。 CPO是指把光引擎和交换芯片共同封装在一起的光电共封装,这种方式能够使得电信号在引擎和芯片之间更快的传输, 缩短了光引擎和交换芯片间的距离,有效减少尺寸,降低功耗,提高效率。


CPO出货量从800G开始,未来市场空间广阔


CPO发展目前处于起步阶段,未来市场空间广阔。LightCounting认为,CPO出货量预计将从800G和1.6T端口开始,于2024至2025年开始商用,2026至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。CIR预计到2027年,共封装光学的市场收入将达到 54 亿美元。全球CPO端口的销售量将从2023年的5万增长到2027年的450万。2027年,CPO端口在800G和1.6T出货总数 中占比接近30%。Yole报告数据显示,2022年CPO市场产生的收入达到约3800万美元,预计2033年将达到26 亿美元,2022-2033年复合年增长率为46%。


CPO应用于超大型云服务商数通短距场景,有效解决高速率高密度互联传输


CPO将有效解决高速高密度互联传输。LightCounting在2022年12月报告中称,AI对网络速率的需求是目前的10倍以上,在这一背景下,CPO有望将现有可插 拔光模块架构的功耗降低50%,将有效解决高速高密度互联传输场景。CIR表示,基于CPO的设备最初将用于超大规模 数据中心,此外,CPO预计将在一年左右的时间进入其他类型的数据中心,未来将进一步在边缘和城域网络、高性能计 算和传感器等领域发挥更多优势。


薄膜铌酸锂:技术突破,尺寸与集成度问题得以改善带来新发展

发展历程:铌酸锂材料已有百年研究过程


铌酸锂材料的研究已经接近100年,可以划分为三个阶段: 发展历程:铌酸锂材料已有百年研究过程 第一阶段(1928-1965年):国外对铌酸锂的生长工艺和晶格结构展开研究。1928年矿物学家Zachariasian 首次对铌酸 锂结构特性开展初步研究;1937年,Sue等实验合成了铌酸锂,未引起广泛关注;直至1949 年,美国Bell实验室的 Matthias 和 Remeika发现其高温铁电特性,铌酸锂正式进入人们视野;1964年,Bell 实验室的Ballman利用Czochralski 法成功生长出厘米级铌酸锂晶体;1965年,Bell实验室的Nassau和 Levinstein找到制备单畴铌酸锂的方法;1965年, Abrahams等建立新的铁电与顺电相下铌酸锂晶格结构模型 ,一直沿用至今。


第二阶段(1964-1967年):国外对铌酸锂的特性展开广泛研究。由于突破了材料生长工艺,获得了最优的晶格模型, 1964-1967年,美国Bell实验室对铌酸锂的电光、倍频、压电、光折变等特性开展一系列研究。 第三阶段(1970年至今):我国从1970 年代开始铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究。1980年,南开大学与西 南技术物理所合作发现高掺镁铌酸锂的高抗光损伤性能,该晶体被称为“中国之星”;同年,南京大学突破了周期极化 铌酸锂的生长工艺,从实验上实现了准相位匹配。


铌酸锂晶体性能优异,在调制器制备方案中优势明显


铌酸锂晶体具有光电效应多、性能可调控性强、物理化学性能稳定、光透过范围宽等特点。1)铌酸锂晶体光电效应多,具有包括压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光生伏打效应、光弹效 应、声光效应等多种光电性能; 2)铌酸锂晶体的性能可调控性强,是由铌酸锂的晶格结构和丰富的缺陷结构所造成,铌酸锂晶体的诸多性能可以通 过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进行大幅度调控; 3)铌酸锂晶体的物理化学性能相当稳定,易于加工; 4)光透过范围宽,具有较大的双折射,而且容易制备高质量的光波导;所以基于铌酸锂晶体的声表面波滤波器、光调制器、相位调制器、光隔离器、电光调Q开关等光电器件在电子技术、 光通信技术、激光技术等领域中得到了广泛研究和实际应用。


薄膜铌酸锂技术方案新突破,体积显著变小,利于实现高度集成


铌酸锂方案虽有性能优势,但也存在不足。1)性能提升空间:受限于铌酸锂材料中的自由载流子效应,传统铌酸锂基光电调制器信号质量、带宽、插入损耗等 关键性能参数的提升逐渐遭遇瓶颈,且与CMOS工艺不兼容。 2)尺寸问题:传统铌酸锂调制器由于尺寸较大,难以满足光器件小型化趋势。 3)成本及价格问题:铌酸锂调制器价格数倍于磷化铟调制器,因此在中距离传输场景下磷化铟调制器更具优势。


薄膜铌酸锂潜在市场空间接近百亿


铌酸锂晶体市场稳步增长,铌酸锂调制器2024年潜在市场规模或近百亿级。全球铌酸锂晶体市场稳步增长,2022年市场规模达1.46亿美元。光学级是铌酸锂晶体的主要类型,2016年占比约 60%。根据QYReseach数据,2016年全球铌酸锂晶体市场营收为1.24亿美元(约8亿元),预计2022年达到1.46 亿美元(约10亿元),CAGR为2.26%。其中,光学级是铌酸锂晶体的主要类型,2016年全球光学级铌酸锂晶体 销售收入约0.75亿美元,约占全球销售收入的60%。


薄膜铌酸锂调制器2024 年潜在市场规模或近百亿级。随着高速相干光传输技术不断从长途/干线下沉到区域/数据 中心等领域,用于高速相干光通信的数字光调制器需求将持续增长,2024年全球高速相干光调制器出货量将达到 200万端,按照每个端口平均需要1~1.5个调制器,若薄膜铌酸锂调制器体渗透率可达50%,对应的市场空间约 82-110亿元。


硅光技术:具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异三大优势

当前硅光模块技术阶段:硅光子集成


当下是混合集成,单片集成是未来技术发展方向。硅光的混合集成方案主要包括激光器直接放置技术和晶圆键合技术。直接放置技术主要是指采用倒装焊或贴装工艺,将 预先制作好的III-V族材料激光器放置在硅光子芯片表面,通过焊球完成电连接,实现光源与硅光波导器件的混合集成。 晶圆键合技术是将III-V族材料外延层集成至硅波导等硅光器件上方,由III-V族材料产生的光可通过倏逝波耦合的方式进 入硅光子回路,完成片上光源与硅光子芯片的混合集成。单片集成方案主要指硅上异质外延III-V材料激光器。与混合集成光源相比,单片集成方案最主要的优势是其能够与硅光 子工艺同步缩小线宽、提高集成度,在大规模光子集成芯片的研制中有巨大潜力,这也是硅光子技术的主要发展方向。


硅光方案具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异三大优势


硅光方案具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异三大优势。“以光代电”是硅光技术出现的关键思路,即利用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光子技术是利用现有 CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,具有集成度高特点,并表现出成本、波导传输性能等方面的优势。集成度高:硅光子技术以硅作为集成芯片的衬底,硅基材料成本低且延展性好,可以利用成熟的CMOS工 艺制作光器件。与传统方案相比,硅光子技术具有更高的集成度及更多的嵌入式功能,有利于提升芯片的 集成度。


成本下降潜力大:传统的GaAs/InP衬底因晶圆材料生长受限,生产成本较高。近年来,随着传输速率的进 一步提升,需要更大的三五族晶圆,芯片的成本支出将进一步提升。与三五族半导体相比,硅基材料成本 较低且可以大尺寸制造,芯片成本得以大幅降低。波导传输性能优异:硅的禁带宽度为1.12eV,对应的光波长为1.1μm。因此,硅对于1.1-1.6 μm的通信波 段(典型波长1.31μm/1.55 μm)是透明的,具有优异的波导传输特性。此外,硅的折射率高达3.42,与二 氧化硅可形成较大的折射率差,确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。


硅光方案产业化面临设计架构、制造工艺、封装、配套器件等难题


硅光方案产业化面临设计架构、制造工艺、封装、配套器件等难题。设计面临着架构不完善、体积和性能平衡等难题:前端集成则面积利用率较低,工艺成本高;后端集成制造 难度大,尤其是波导制备还很难完成;混合集成的成本与设计难度仍然不小。 硅光芯片制造工艺不统一、设备短缺:光学元器件对制造工艺要求更精确,些许偏差就可能造成巨大问题, 从而影响到良品率与制造成本。 封装问题:硅光芯片所采用的光的波长非常的小,跟光纤、激光器存在不匹配问题,导致耦合损耗比较大。 配套器件技术、成本问题:硅光芯片需要的配套光器件很多,如调制器、陶瓷套管/插芯、光收发接口等, 而这些光器件仍然面临技术不完善、制造成本高等问题。


硅光模块在高速率传输网中优势明显,需求增速将高于传统光模块


硅光模块市场空间广阔,未来在高速光模块市场占有率将达到60%以上。2020年以来,全球大型数据中心、5G基站等建设速度加快,目前已进入快速发展期。在此背景下,全球光模块市场景气度将迅速提升,预计到2025年市场规模将达到180亿美元左右。硅光模块在高速率传输网中优势明显,需求增速将高于传统光模块,市场规模将快速扩张。Yole预计硅光模块市场规模将从2016年的2.02亿美元,增长到2025年的36.7亿美元,200G/400G和100G光模块市场规模的复合增长率分别达到95.9%、37.3%。新思界产业研究中心认为,2020年全球硅光模块市场普及率较低,仅为15%左右,在5G与数据中心行业拉动下,预计到2025年其市场普及率将达到45%左右,其中,在高速光模块市场中占有率更高,将达到60%以上。


硅光技术应用场景及相关厂商布局


数据中心、5G承载网、光传感等市场将为硅光打开增长空间。 硅光技术应用场景及相关厂商布局 www.cgws.com 22 1)数据中心场景下,通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T迭代,而且迭代周期持续缩短。在此背景下, 传统的可插拔光模块在性价比及功耗方面难有进步空间,而高集成高速硅光芯片由于在潜在降价空间与功耗方面 有明显优势,成为更优越的选项。 2)在5G承载网市场中,5G前传是硅光技术的又一市场增长点,Intel已针对5G前传发布具有扩展工作温度范围的 100G收发器,支持在-40℃~85℃的工作温度范围内通过单模光纤实现10km链路。 3)光传感领域硅光发展潜力巨大,现阶段来看,面向自动驾驶的激光雷达硅光芯片以及面向消费者健康监测及诊 断的硅光芯片将是重要增长点。


LPO:成本优势突出,满足AI计算中心线短距、大宽带、低延时要求

LPO技术方案:大幅减少系统功耗与时延


相较DSP方案,LPO可大幅度减少系统功耗和时延,但只适用于短距传输。 LPO技术方案:大幅减少系统功耗与时延,LPO(Linear-drive Pluggable Optics)是线性驱动可插拨光模块,在数据链路中只使用线性模拟元件,无 CDR或DSP的设计方案。 通过LPO线性直驱的技术把DSP替换,使用高线性度、具备EQ功能的TIA和DRIVER芯片,功耗大幅降低、 延迟提升(功耗相较DSP可下降接近50%),但是系统误码率和传输距离有所牺牲,LPO只适用于特定短 距离应用场景,如:数据中心服务器到交换机的链接,但未来可能会用于500m以内,满足数据中心最大的 需求。 考虑到传统光模块中DSP芯片的BOM成本占比不低,LPO的低价格特性有可能在800G时代实现大放量。


LPO具有功耗低、低延迟、低成本、可热插拔的优势


LPO具有功耗低、低延迟、低成本、可热插拔的优势。 LPO具有功耗低、低延迟、低成本、可热插拔的优势。功耗低:相比于可插拔光模块,LPO的功耗下降约50%,与CPO的功耗接近。低延迟:由于不再采用DSP,不涉及对信号的复原,整个系统的latency大大降低,可以应用到对延迟要求比较高 的场景,例如高性能计算中心(HPC)中GPU之间的互联。低成本:由于不再需要采用5nm/7nm工艺的DSP芯片,系统的成本得以降低。800G光模块中,BOM成本约为600- 700美金,DSP芯片的成本约为50-70美金。Driver和TIA里集成了EQ功能,成本会增加3-5美金,系统总成本下降 在8%左右。可热插拔:相比于CPO而言,LPO仍然采用可插拔模块的形式,其可靠性高,维护方便,可以利用成熟的光模块 供应链,并未像CPO进行较大的封装形式革新,成为LPO方案受到关注的另一大原因。


满足AI计算中心线短距、大宽带、低延时要求


LPO技术适用于AI大模型预训练。800G LPO技术无需DSP或者CDR芯片,因此相比传统的DSP解决方案大大降低了功耗和延迟。这种低延迟传输能 力非常有利于当前机器学习ML和高性能计算HPC等领域交换机之间,交换机到服务器和GPU之间的传输应用,而其 系统误码率和传输距离较短的问题,在AI计算中心短距离应用场景下解决,较为适合AI大模型预训练场景,在AI时代有望加速落地。




(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)


精选报告来源:【未来智库】







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