CPO 重要硬件—光模块与光芯片附个股逻辑梳理
耕谷坊丨金岁月
只买龙头的龙头选手
2023-06-23 16:43:37
其实 CPO 也是由 AI 算力引发出来的概念，由于当前 AI 产业正在爆发式增长，而且将成为未来最有前途的技术领域之一，也驱动了算力、网络设备和光模块等领域的快速发展。 光模块作为 AI 算力的核心器件，自然是值得重点关注的，光模块的主要成本就是光器件，而光器件的主要成本就是光芯片。 除此之外还可以包含激光器、调制器、光电探测器等有源器件，或者平面波导、光栅或边缘耦合器等无源器件。 再来重点说说这个光芯片，与传统的电子芯片相比，硅光芯片更适合海量数据传递，更能满足人工智能、万物互联下的信息传递需求。 因为它与电子芯片靠电子传输信息的模式不同，光芯片主要依赖光子传输信息，光子之间干扰性较小，因此计算密度更高，能耗却更低，非常适合大量数据的远距离传输。 光芯片未来的发展很值得期待，首先是强烈的算力需求会带动高速率光模块市场的量价齐升。 一台云计算通用服务器大约需要 4-6 个光模块，而 AI 服务器所用的 A100、H100 等 GPU 芯片，需用 200G 以上的高速率光模块 8-10 个/片，需求量提升数倍。 由于云厂商更加偏向于选用高速率光模块，2023 年 800G 光模块需求预计将进一步替代较低速率光模块的份额，整体高速率光模块用量和规格不断提升。而且越是高速率光模块，光芯片的附加值就越高，光芯片将呈现量价齐升的趋势。 近些年中国光芯片厂商的销售份额正在不断提升，主要企业如源杰科技、华工科技、长光华芯、华西股份等。 目前我国已经基本掌握了 2.5G 及以下速率光芯片的核心技术，部分 10G 光芯片性能要求较高、难度较大，国产化率不到 40%。 25G 光芯片在 5G 基站和数据中心市场刚起步，国产化率约 20%，而 25G 以上光芯片仍以海外厂商为主，国产化率约 5%。 目前全球光模块市场主要是中美日三足鼎立的格局，2021 年光模块全球前十的生产商中有一半来自中国。 尽管海外光芯片企业已形成产业闭环和高行业壁垒，但部分中国光芯片企业已具备领先水平，随着技术能力提升和市场认可度的提高，竞争力将进一步增强。 而且随着国内下游光模块厂商海外业务的不断拓展，光芯片可以跟随光模块出海，有望应用到海外大厂的 AI 服务器及数据中心当中，所以国产光芯片的发展前景十分广阔。 所以尽管光芯片还面临诸多技术问题，但行业已经迈入快车道。从下游应用场景来看，数据中心、消费电子、电信是最重要的需求方向。 尤其是数据中心的收发器，为行业带来强劲的发展动力。电信传输网络建设有望采用更多光芯片，将带动 5G 应用场景的实现。消费电子的 3D 感应系统也要用到光芯片。CPO—光电共封装当前的光芯片已经集成了波导、调制器、滤波器等光器件。光模块正常工作需要硅光芯片及专用集成电路（ASIC）共同发挥作用。专用集成电路可以控制光收发模块，而且种类众多，包括各类计算、存储芯片，这就需要与光模块进行合理的封装。传统的封装方式叫做 Pluggable（可插拔），采用的光引擎是可插拔的板边光模块，需要单独封装，位于 PCB 板的边缘。光纤过来以后，插在光模块上，然后通过 SerDes 通道，送到 AISC 芯片，会导致互连较长、密度低、体积大、功耗高等问题。板中光模块将光收发模块组装在专用集成电路旁边，虽然缩短了互连的距离，但仍需要连接器。而 CPO 技术，就是将光模块、ASIC 芯片封装为一个整体，激光器、调制器、光接收器等光学器件可以直接与芯片内的电路相集成，由于与 ASIC 芯片足够近，便可以移除这个额外的 DSP。CPO 不仅可以提高输入/输出（I/O）接口的能源效率，从而延长传输距离，还能够降低能耗。当数据中心的数据传输在带宽密度要求大幅提升且单通道速率超过 100Gbps 时，传统可插拔光模块和板载光学器件在成本效益方面将很难与 CPO 技术相媲美。随着数据传输速度要求越来越高，当网速提高到 800Gbps 以上时，CPO 就成为了关键的封装方案。CPO 技术也在进步，由 2.5D 向 3D 发展，2.5D 封装是将光模块与电子芯片封装在一个载板上，这已经能够提高互连密度、降低功耗。如果采取三维（3D）堆叠技术，将芯片与光模块进行三维堆叠，这样就能实现更短的互连与更高的互连密度，在 2.5D 封装技术基础上再进一步。CPO 的基板也多种多样，主要包括陶瓷基板、玻璃基板、硅基板等，陶瓷载板以其优异的导热性、稳定性成为封装的重要材料。03与 CPO 相关的领域投资机会CPO 良好的发展前景，也会带动相关领域一起发展，硅光、光引擎、光器件、光芯片等环节都与 CPO 技术路径密切相关。其中，硅光技术、光引擎都将助力提升 CPO 方案的集成度，而与 CPO 配套的相关光器件也将迎来需求的增长，同时制备传统光芯片或适用于硅光方案的大功率直流光芯片的光芯片厂商也有望受益于未来 CPO 的放量。1、CPO随着高性能光模块的需求不断增加，800G/1.6T 光模块将从 2022 年不到百万件增长至 2027 年超过 1500 万件，CPO 技术的渗透率预计 2024 年开始显著提升。根据 CIR 的市场报告，在 CPO 发展之初的 2023 年超大型数据中心 CPO 设备收入将占 CPO 市场总收入 80%，因此 CPO 的部署将在很大程度上受到数据中心交换速率的推动。CIR 机构认为交换速率将在 2025 年达到 102.4Tbps 时代，届时可插拔收发器将被逐渐淘汰。除近期 ChatGPT 掀起的人工智能、机器学热潮驱动外，同样具有低延迟、高数据速率需求的 VR 和 AR，未来也有望助力于激发 CPO 需求，预计 2027 年 CPO 整体市场收入将达到 54 亿美元。而其上游 CPO 光学组件销售收入有望在 2025 年超过 13 亿美元，到 2028 年进一步增长至 27 亿美元。但因为 CPO 的发展需要数据中心整体产业链的协同推进，其中涉及的环节在现有光模块产业链的基础上，预计还要得到交换芯片、设备厂商以及各元器件厂商的合作。所以 CPO 的发展本质上是对光模块及光引擎厂商综合实力的长期考验，包括在光模块零部件、封装等方面的技术积累与研发实力，以及下游客户的关系。所以其实现在炒作还有点早，毕竟离业绩兑现还需要时日，但市场就是这样，只争朝夕。国内已经有华工科技、源杰科技等多家厂商布局了 CPO 领域。华工科技的“光联接+无线联接”解决方案目前市占率处于行业领先，100G/200G/400G 的全系列光模块已经批量交付，采用 CPO 技术的各种类型 800G 系列光模块已经给北美头部厂家送样测试。源杰科技是国内高速率光芯片龙头，公司 CW 大功率光源可以用于 CPO 领域，目前已经向多家客户送样测试。铭普光磁的光模块产品广泛应用于数通领域，400G 系列产品已生产交付，800G 光模块预研中，其中 CPO 相关技术是公司未来研发的重要方向之一。中际旭创、仕佳光子、联特科技等厂商在 CPO 领域也有所布局。2、Micro TECMicro TEC 是高速率光通信领域实现精准控温的优质方案。这是一种制冷器件，具有无噪声、无振动、无需制冷剂、体积小、重量轻等特点，而且容易进行冷量的精准调节。它的作用不仅仅在于散热，更重要的是保持工作波长的稳定，否则激光器的波长会根据自身温度进行漂移，引起通道间串扰目前的 200G/400G/800G 高速光模块，必须使用 Micro TEC 来实现工作波长的稳定。随着数据中心 400G/800G 模块、长距离相干模块的发展，对微型化的局部精准控温提出了更高要求，TEC 未来前景广阔。富信科技是目前国内少数能够批量生产光通信应用高性能超微型热电制冷器件的企业，22 年公司已经具备了年产 200 万片 Micro TEC 的批量化生产的能力。3、LPO前面也提到过，在理想情况下，CPO 可以逐步取代传统的可插拔光模块，但由于目前的技术与产业链尚不成熟等原因，短期内难以大规模应用，需要等到 2024 年开始渗透。目前 LPO 可以作为一个短期替代方案。相比之下，LPO 主要的技术壁垒在于更复杂的 RF 模块，仍然采用可插拔模块的形式，可靠性高而且便于维护，可以直接应用到目前成熟的光模块供应链。华工科技、新易盛、中际旭创等 LPO 进度较快的厂商有望率先发力。华工科技积极布局 LPO 方案，结合 LPO 技术 800G 系列产品已经给北美头部厂家送样测试。新易盛作为高速率光模块供应商，在 LPO 技术领域也有深入布局，推出多款相关产品，与主流厂商和用户建立起了良好合作关系，并积极推动 LPO 相关测试项目的进展，力争在 LPO 相关产品的市场竞争中占得先机。4、光引擎前面提到过一个光引擎，这是光模块中负责处理光信号的部分，在高速发射芯片和接收芯片封装基础上集成精密微光学组件、精密机械组件、隔离器、光波导器件等，能够实现单路或者多路并行的光信号传输与接收功能。目前华工科技、源杰科技、立讯精密等厂商对光芯片集成高速光引擎有所布局。华工科技积极推进硅光技术应用，已经具备从硅光芯片到硅光模块的全自研设计能力，800G 硅光模块已正式面市。源杰科技的 50G 、100G 高速率激光器芯片以及硅光直流光源大功率激光器芯片正在向商用推进，目标在高端激光器芯片产品的特性及可靠性方面对标美、日垄断企业。立讯精密的 800G 硅光模块已在多家客户完成测试，小批量交付正在准备当中。5、相干光链路数据中心光互联方案可根据其传输距离来选择两种支撑技术，直接探测技术与相干探测技术。随着光模块速率的不断提升，直接探测方案的传输距离将受到限制。相干探测凭借着高容量、高信噪比、调制方式灵活、灵敏度强，适适合长距离传输等优势得到广泛应用。目前全球通信市场主要采用“相干下沉”的解决方案。从过去的适用于大于 1000km 的骨干网，逐步下沉到传输距离为 100km 到 1000km 的城域网，甚至小于 100km 的距离的边缘接入网，以及 80km 至 120km 的数据中心互联领域。在数通领域，相干技术也已经成为数据中心间互联的主流方案，预计未来几年相干光链路的用量将迎来井喷式增长。相干光市场增量下，华工科技、中际旭创等厂商有望受益。华工科技的相干光模块产品在北美市场表现亮眼，推出了全球第一个 400GZR+PRO 产品，在发射光功率、接收灵敏度、光的性噪比方面优于业界水平。中际旭创拥有长距离传输功能的相干光模块产品，助力“东数西算”工程和算力枢纽建设。6、薄膜铌酸锂调制器电光调制器通过调制将通信设备中的高速电子信号转化为光信号，是超高速数据中心和相干光传输的核心光器件。目前光调制的技术主要基于硅光、磷化铟和铌酸锂三种材料平台的电光调制器。其中铌酸锂电光系数显著高于磷化铟，而硅没有直接电光系数，因而铌酸锂调制器是大容量光纤传输网络和高速光电信息处理系统中的关键器件。新一代薄膜铌酸锂调制器芯片技术具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生产且与 CMOS 工艺兼容等优点，将解决尺寸大不利于集成的问题。然而电信级铌酸锂高速调制器芯片产品设计难度大，工艺非常复杂，技术壁垒非常高。全球主要批量供货体材料铌酸锂调制器的企业为富士通、住友和光库科技三家。目前在薄膜铌酸锂领域已有布局的厂商或可以保持先发优势，深度收益于超高速率电光调制器的需求提升。国内福晶科技、光库科技等厂商具备关键核心能力。福晶科技是全球非线性光学晶体龙头，开展独立自主研发，能够提供各种规格高质量的铌酸锂晶体，相关产品已成功推向 Lumentum 等光器件厂商。光库科技在 2019 年收购 Lumentum 的铌酸锂高速率调制器生产线进入该领域，掌握了包括芯片设计、芯片制程、封装和测试等核心技术，具备开发 800G 及以上速率的薄膜铌酸锂调制器芯片和器件的关键能力。以上就是 CPO 概念相关环节的一些情况，其实 CPO 概念股真的还挺多的，除此之外还有紫光股份、中天科技、生益科技、亨通光电、锐捷网络、天孚通信等，他们有的处于研发阶段，有的已经有了产品并批量供货。
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