中國光模塊市場發(fā)展預(yù)測分析及5G新應(yīng)用帶動(dòng)需求

二、5G新應(yīng)用帶動(dòng)需求側(cè)景氣高企，供給側(cè)國內(nèi)廠商蓄勢待發(fā)，400G光模塊逐步成為數(shù)通市場主角

1、需求側(cè)：超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心建設(shè)進(jìn)入400G時(shí)代，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢

全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)呈現(xiàn)大型化和集約化特點(diǎn)，轉(zhuǎn)向更大規(guī)模發(fā)展。全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量呈現(xiàn)逐年下滑的趨勢，但機(jī)架數(shù)仍維持增長，預(yù)計(jì)到2020年全球數(shù)據(jù)中心約為42.2萬個(gè)，機(jī)架數(shù)量則達(dá)到498.5萬架，服務(wù)器將超過6200萬臺(tái)，每個(gè)數(shù)據(jù)中心的平均機(jī)架數(shù)呈明顯的上升趨勢，數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)向更大規(guī)模的趨勢發(fā)展。從2012年至今，數(shù)據(jù)中心開始進(jìn)入整合、升級(jí)和云化的新階段，如美國數(shù)據(jù)中心從粗放式發(fā)展階段進(jìn)入規(guī)模建設(shè)階段，發(fā)展模式將轉(zhuǎn)入以改建和擴(kuò)建等利舊建設(shè)，2018年美國數(shù)據(jù)中心建設(shè)主要以改建和擴(kuò)建為主，新建規(guī)模占比降低至20%。

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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超大規(guī)模（Hyperscale）數(shù)據(jù)中心建設(shè)持續(xù)高景氣周期?！俺笠?guī)?！钡亩x各不相同，一般指擁有5萬-10萬服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，認(rèn)為是擁有“幾十萬臺(tái)服務(wù)器，有時(shí)甚至是數(shù)百萬臺(tái)”。 2018年全球超大規(guī)模供應(yīng)商運(yùn)營的大型數(shù)據(jù)中心數(shù)量將達(dá)到430個(gè)，同比增長了11%，到2019第三季度已突破504個(gè)，目前還有151個(gè)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在規(guī)劃或在建設(shè)當(dāng)中，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設(shè)高景氣將有望持續(xù)。預(yù)計(jì)到2021年，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器數(shù)量將占全部數(shù)據(jù)中心服務(wù)器總量的53%，流量占比將達(dá)到55%，成為市場主力。

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超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心作為新技術(shù)擔(dān)當(dāng)，代表數(shù)據(jù)中心未來的發(fā)展方向。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的軟硬件設(shè)計(jì)、配置、能耗和管理運(yùn)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(qiáng)的大型互聯(lián)網(wǎng)公司才有能力設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)營，其技術(shù)預(yù)研的方向往往被認(rèn)為是代表數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展的方向。業(yè)界普遍認(rèn)為谷歌、亞馬遜、微軟、Facebook、騰訊、百度以及阿里巴巴等可以被稱為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商。亞馬遜和微軟在過去的12個(gè)月內(nèi)開設(shè)了最多的新數(shù)據(jù)中心，合計(jì)超過總數(shù)的一半。緊隨其后的是谷歌和阿里巴巴。從地區(qū)上看，美國超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心數(shù)量占比始終是全球最大，但近年隨著中國、日本等地區(qū)數(shù)據(jù)中心建設(shè)熱潮的興起，占比逐漸下滑。

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數(shù)據(jù)中心東西流量遠(yuǎn)超南北流量。一般的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部主要由服務(wù)器、交換機(jī)和路由器組成。其中服務(wù)器提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、控制等功能，是數(shù)據(jù)中心的核心；交換機(jī)作為數(shù)據(jù)中心的骨干組成，搭建起數(shù)據(jù)中心內(nèi)外部的神經(jīng)中樞，通過連接服務(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(dān)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的進(jìn)出口流量的傳輸和控制。據(jù)Cisco預(yù)測，數(shù)據(jù)中心的所有數(shù)據(jù)流量中，東西流量占比將在2021年達(dá)到85%，南北流量僅占15%。其中數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)中心之間的流量占比將由2016年底的10%提升到將近14%，超過數(shù)據(jù)中心內(nèi)部（75.4%->71.5%）和數(shù)據(jù)中心到用戶流量（基本維持在14.5%）的增長，這主要是受CDN網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)和數(shù)據(jù)中心備份等應(yīng)用場景的增加所致。

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

交換機(jī)是數(shù)據(jù)中心里十分重要和關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，SDN催生白盒化模式。作為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸通道的骨干，交換機(jī)的容量和速率決定了數(shù)據(jù)中心可對(duì)外提供的能力。數(shù)據(jù)中心借助交換機(jī)協(xié)同內(nèi)部密集的服務(wù)器陣列進(jìn)行整合，對(duì)外提供存儲(chǔ)和算力等服務(wù)。東西向是數(shù)據(jù)中心占比最多的流量應(yīng)用場景，內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸通道的帶寬很大程度上決定了數(shù)據(jù)中心整體能力的表現(xiàn)。目前市場的交換機(jī)按軟硬件內(nèi)部設(shè)計(jì)界面劃分，可分為裸機(jī)交換機(jī)、白盒交換機(jī)和傳統(tǒng)商業(yè)交換機(jī)等，其中傳統(tǒng)商業(yè)交換機(jī)為傳統(tǒng)常見的模式，由設(shè)備商自行設(shè)計(jì)硬件并加載操作系統(tǒng)，提供功能通用的交換機(jī)，常見的制造企業(yè)包括思科、華為、Juniper等；裸機(jī)交換機(jī)則主要由制造商提供組裝好的硬件，由用戶自行加載操作系統(tǒng)，制造商通常為ODM廠家，如Accton，QuantaQCT等；白盒交換機(jī)則是近幾年興起并得到超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商青睞的交換機(jī)種類，在軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）出現(xiàn)以后，通過軟件控制器和直接流表轉(zhuǎn)發(fā)的白盒交換機(jī)就可以完成數(shù)據(jù)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(hù)，十分適合超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的批量建設(shè)。據(jù)CrehanResearch的統(tǒng)計(jì)，2018年亞馬遜、谷歌和Facebook對(duì)白盒交換機(jī)的購買規(guī)模已經(jīng)超過了其市場總規(guī)模的三分之二，雖然白盒交換機(jī)在數(shù)據(jù)中心交換的整體市場采用率在20％的范圍內(nèi)，但是亞馬遜，谷歌和Facebook傾向于更早采用這些設(shè)備以滿足對(duì)更新更快網(wǎng)絡(luò)速度的追求，白盒交換機(jī)將繼續(xù)增長。目前谷歌幾乎所有400GbE數(shù)據(jù)中心都是白盒級(jí)交換機(jī)驅(qū)動(dòng)的。

3、硅光模塊，400G光模塊市場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(xiàn)光信號(hào)處理和電信號(hào)處理的深度融合，形成一個(gè)具有綜合功能的完整大規(guī)模集成芯片。傳統(tǒng)光模塊采用分立式結(jié)構(gòu)，光器件部件多，封裝工序復(fù)雜且需要較多人工成本。相對(duì)傳統(tǒng)的分立式器件，硅光模塊將多路激光器，調(diào)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(nèi)的功能部件主要通過光子介質(zhì)傳輸信息，連接速度更快，因此更適合數(shù)據(jù)中心和中長距離相干通信等應(yīng)用場景。其中在400G光模塊領(lǐng)域，由于單通道光芯片速率瓶頸問題，多通道的PAM4電調(diào)制方案不可或缺，而電調(diào)制帶來的損耗較大，要求傳統(tǒng)方案光模塊內(nèi)部激光器、調(diào)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(shù)的增加導(dǎo)致器件數(shù)量增加，器件集成復(fù)雜度和工作溫度提升帶來的溫漂問題都具備較大挑戰(zhàn)性。硅光方案通過高度集成能很好解決以上問題。

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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，通過外置激光器導(dǎo)入光源（Luxtera）和通過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光模塊場景中，Intel在成功推出100G光模塊的基礎(chǔ)上，繼續(xù)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(rèn)為DR4將是400G硅光模塊的基礎(chǔ)形態(tài)，既可以實(shí)現(xiàn)1分4的Breakout組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與已有的100GDR1/FR1對(duì)傳，又可替代接入側(cè)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?shù)膬?yōu)勢下，與多波長光源封裝即可輕易切換為WDM模塊形態(tài)。

硅光模塊市場規(guī)?？焖倥榔?。硅光模塊市場仍處于爬坡階段，但市場空間增長速度較快，硅光模塊在2018年-2024年間的復(fù)合年增長率將達(dá)到44.5%，有望從2018年的4.55億美元增長到2024年的40億美元，屆時(shí)有望占整體市場規(guī)模21%，較2018年增加約10個(gè)百分點(diǎn)。硅光模塊的市場主要集中在相干通信和DCI應(yīng)用場景。

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相干光通信及數(shù)通400G模塊有望成硅光最佳市場切入點(diǎn)。目前硅光模塊市場的競爭者主要集中在Luxtera和Intel之間，兩者均已推出應(yīng)用于DCI市場的100GPSM4產(chǎn)品，另外Intel還有100GCWDM4產(chǎn)品，另外Acacia也占據(jù)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(duì)硅光模塊市場的信心。目前已商用的100G硅光模塊無論在良率還是成本控制方面與傳統(tǒng)分離式方案相比還不存在競爭優(yōu)勢，因此硅光技術(shù)的市場沖擊還不明顯。未來隨著數(shù)據(jù)流量的快速增長，電信骨干網(wǎng)城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心間DCI鏈接由于更長距離和更大容量的傳輸需求進(jìn)入相干光通信時(shí)代；數(shù)據(jù)中心內(nèi)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(xiàn)相干調(diào)制功能，硅光技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)電芯片的高度集成；400G光模塊需要對(duì)多路光通道進(jìn)行更高速率的PAM4調(diào)制，硅光技術(shù)高度集成調(diào)制器，同時(shí)可使用單一光源實(shí)現(xiàn)4路信號(hào)的調(diào)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)的最佳市場切入點(diǎn)。

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硅光技術(shù)發(fā)展迅速，寡頭市場或迎來更多競爭者。未來隨著技術(shù)的不斷推進(jìn)，將有越來越多的競爭者加入，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(yù)計(jì)2020年下半年將在阿里全球數(shù)據(jù)中心投入使用；博創(chuàng)科技推出了高性價(jià)比的400GQSFP-DD數(shù)據(jù)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。未來的硅光市場有望呈現(xiàn)兩超（Intel和Cisco）多強(qiáng)的競爭格局。

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硅光產(chǎn)業(yè)鏈布局完整，F(xiàn)abless模式有望進(jìn)一步推動(dòng)硅光模塊成熟商用。硅光應(yīng)用經(jīng)過多年的發(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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈類似，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(shè)計(jì)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(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)和電信運(yùn)營商等最終客戶。其中硅光芯片的產(chǎn)業(yè)格局也與半導(dǎo)體類似，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(tái)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(shè)計(jì)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(tǒng)光模塊，或在細(xì)分領(lǐng)域彰顯特點(diǎn)。硅光模塊基于大規(guī)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(fù)雜，還存在著明顯的劣勢：1)良率不高導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，同時(shí)傳統(tǒng)分立方案成本在持續(xù)優(yōu)化，硅光模塊成本優(yōu)勢尚不明顯；2)硅波導(dǎo)與光纖的耦合效率低導(dǎo)致?lián)p耗較大，不利于長距離應(yīng)用；3)硅光芯片集成的合分波器件存在溫漂問題，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(yīng)用場景。光模塊作為連接網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件，產(chǎn)業(yè)鏈下游客戶更關(guān)心的是實(shí)現(xiàn)同等傳輸性能技術(shù)上的綜合成本，對(duì)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的技術(shù)并不敏感。我們認(rèn)為在短期硅光模塊難以完全取代傳統(tǒng)光模塊，下游客戶仍需要較長的時(shí)間去認(rèn)證和認(rèn)可，但可能會(huì)在某些細(xì)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(yīng)的市場份額，如在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)商用的100GPSM4和CWDM4，以及未來的400GDR4。傳統(tǒng)分立光模塊與硅光模塊將會(huì)長期共存。