AI刺激算力需求，光模块提前迭代，关键技术CPO产业初探

AI刺激算力需求，光模块提前迭代，关键技术CPO产业初探

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/J0RRGVKJ0539AESA.html

随着AI技术的快速发展，算力需求呈现爆发式增长，这不仅带动了光通信产品的需求，更为CPO（共封装光学）等新技术的发展提供了契机。本文将为您详细解析CPO技术的来龙去脉、产业背景、市场需求、行业现状及前景，并列举相关上市公司的布局情况。

一、来龙去脉

OpenAI 基于GPT-3.5 架构的 ChatGPT 一经推出就成为了关注的焦点，为了实现其强大的功能，其总算力消耗高达近 3640PF-days，这样更高的算力需求自然需要底层算力基础设施提供更有力的支撑。事实上，不仅上游光通信产品（光芯片/光器件/光模块等）的需求量有望得到拉动，更重要的是有望加速以 CPO 为代表的新技术路径演进。

二、认识CPO

共封装光学 (CPO, co-packagd optics） 是一种新型的光电子集成技术，它将激光器、调制器、光接收器等光学器件封装在芯片级别上，直接与芯片内的电路相集成，借助光互连以提高通信系统的性能和功率效率。目前，亚马逊 AWS、微软、Meta、谷歌等云计算巨头，思科、博通、Marvel、IBM、英特尔、英伟达、AMD、台积电、格芯、Ranovus 等网络设备龙头及芯片龙头，均在前瞻性地布局CPO 相关技术及产品，并推进 CPO 标准化工作。

较之传统方案中（实现光电转换功能的）可插拔光模块插在交换机前面板的形式，CPO 方案显著缩短了交换芯片和（实现光电转换功能的）光引擎之间的距离，使得损耗减少，高速电信号能够高质量地在两者之间传输，同时提升了集成度并能够降低功耗，整体优势显著。

三、产业背景

1. AI 未来已来，算力、网络设备和光模块等领域率先受益。

2022 年 11 月底，OpenAI 发布聊天机器人 ChatGPT，仅用 5 天用户破百万，2 个月活跃用户破亿，成为史上增速最快的消费级应用之一。2023 年 3 月，英伟达召开的 GTC 开发者大会犹如“深水炸弹”，创始人兼 CEO 黄仁勋提出的全新概念：我们正处于 AI 的“iPhone 时刻”。目前 AI 正在迎来爆发式增长，将成为数十年来最有前途的技术领域之一，并将驱动算力、网络设备和光模块等领域的极大发展。受益于此，博通和 Marvell 等网络与通信芯片巨头的股价均迎来大幅上涨。博通表示 23 年用于生成式 AI 业务的以太网设备销售额将从 2 亿美元上升到超 8 亿美元； Marvell 也于近期表示 AI 已成为关键成长动能，预估 2024 财年 AI 相关产品营收至少较 2023 年度呈现倍增，并在未来几年持续迅速成长。

2. 高速率光技术持续演进。

作为 AI 算力的核心器件，光模块及其配套芯片持续迭代：1）CPO、 LPO 等先进封装技术在降低光模块成本及功耗上作用显著，中际旭创、新易盛等光模块厂商率先布局；2）EML、硅光和薄膜铌酸锂等光芯片不断升级来适配高速率场景应用，源杰科技、长光华芯和光库科技等厂商不断突破芯片技术瓶颈。光芯片作为光模块中最核心的部件（光器件占光模块成本的 73%，光芯片占光器件成本的 81%），拥有更大的附加价值量弹性和国产替代预期，在产业链中地位尤其重要，光芯片厂商亦有望在 AI 浪潮中持续受益。

四、市场需求

1. 算力时代传统可插拔光模块功耗制约凸显，CPO 降本增效迎发展良机。

如今大数据、云计算、人工智能等复杂应用需求的发展，正不断提高对数据中心中数据传输速率的要求。诸如谷歌、Meta、亚马逊、微软或阿里巴巴等计算巨头数万台交换机的部署，正在推动数据速率从 100GbE 向 400GbE和 800GbE 更高速的数据链路的方向发展，通过铜缆传输数据的功耗攀升日渐成为传统可插拔光模块所面临的最大挑战。而 CPO 技术路径通过减少能量转换的步骤，从而降低功耗。与传统的光模块相比，CPO 在相同数据传输速率下可以减少约 50%的功耗，将有效解决高速高密度互连传输场景下，电互连受能耗限制难以大幅提升数据传输能力的问题。与此同时，相较传统以 IILV 材料为基础的光技术，CPO 主要采用硅光技术具备的成本、尺十等优势，为CPO技术路径的成功应用提供了技术保障。

2. CPO 是长期路径；LPO 易落地，是短中期极具性价比的过渡方案。

CPO 方案是通过在交换机光电共封装起到降低成本、降低功耗的目的。长期来看，CPO 是实现高集成度、低功耗、低成本以及未来超高速率模块应用方面最优的封装方案。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。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，可靠性高且便于维护，可以直接应用于目前成熟的光模块供应链。

五、行业现状

1. CPO 的发展需要产业链协同推进，考验光模块/光引擎厂商的长期综合实力。

CPO 的技术路线在逐步推进的过程中本质上也是对整个网络架构的优化，需要数据中心整体产业链的协同推进。其中涉及到的环节在现有光模块产业链的基础上预计还需要得到交换芯片及设备厂商，以及各元器件厂商的合作。因此 CPO 的进度本质上是对光模块/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。

2. 光模块龙头及光芯片技术领先的供应商直接受益于市场增量，对于产业发展趋势更具话语权。

目前，华工科技、源杰科技等多家厂商布局 CPO 领域。其中，华工科技 “光联接+无线联接”的解决方案市占率行业领先，100G/200G/400G 全系列光模块批量交付，CPO 技术的各种类型800G 系列产品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，已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 领域亦有所布局。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 的批量化生产能力。

六、行业前景

1. 光芯片是光模块的核心器件，附加价值量弹性更大。

在前沿光通信技术发展和高算力需求的共同催化下，将有力推动光芯片的技术升级和更新换代，硅光芯片、薄膜铌酸锂调制器芯片等有望成为更优解决方案。根据 LightCounting 数据测算，光芯片占光模块市场比重从 2018 年约 15%的水平到 2025 以后超过 25%的水平，光芯片有望深度受益。相对于光模块和器件，光芯片具有更大的附加价值量弹性，其成本占比分布在低端器件、中端器件、高端器件上的数据逐级提升，大约分别为 20%、50%、70%。随着通讯、AI 等产业对高性能光模块的需求快速增长，光芯片将呈现量价齐升的增长趋势。

2. 具备性能优势的 CPO 方案有望作为重要技术路径迎来加速发展。

数据中心中人工智能、机器学习流量为 CPO 主要驱动力，2027 年整体市场规模有望达 54 亿美元。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 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、机器学习热潮驱动外，同样具有低延迟、高数据速率需求的 VR和 AR， 未来也有助于激发 CPO 需求。根据咨询机构 Lightcounting 的预测，全球 CPO端口的销售量将从 2023 年的 5 万增长到 2027 年的 450 万，四年时间提升达90 倍。

七、相关上市公司

长光华芯

目前公司已建立边发射和面发射两大芯片结构工艺技术和制造平台，其中高功率半导体激光芯片和光通信芯片属于边发射激光芯片，而 VCSEL 芯片属于面发射激光芯片。具体来看， 1）半导体激光器芯片方面，公司产品主要包括单管和巴条系列两个系列，其中包括芯片，器件，模块及直接半导体激光器产品；2）VCSEL 系列方面，公司主要包括 TOF，SL 系列等产品，除激光雷达用 VCSEL 芯片外，2023 年公司布局开发车载 EEL 边发射激光器等产品，完善激光雷达解决方案；3）光通信方面，公司产品主要包括探测器所需 APD 系列芯片和发射端所需边发射激光器芯片，包括 EML、DFB、PD 系列等。公司为国内半导体激光器芯片龙头厂商，一方面受益于国产激光器渗透率继续提升，同时 VCSEL 下游激光雷达和光通信领域景气度高增需求广阔，有望带动公司业绩回暖。

源杰科技

公司已经形成基于“两大平台”的 IDM 研发制造模式，实现对高电光转化效率产品的制造和高速率产品的制造。在高速激光器光芯片领域，公司多个高端产品线对标国际厂商，在研 100G PAM4 EML 产品和 200G PAM4 EML 两个产品，200G PAM4EML 研发进度符合预期，100G PAM4 EML 产品已客户送样阶段，在海外数通市场高速光模块高弹性需求下，公司加速拓展海外市场，除产品技术对标外，
公司宣布在新加坡设立境外子公司，通过设立境外子公司的目的是更好的贴近客户，及时响应全球不同地域客户的需求，有利于进一步拓展海外市场，优化海外生产资源配置，推动国际化的发展方向。

仕佳光子

公司无源+有源双平台优势愈发凸显，成为国内光通信行业具备核心竞争力的科技型企业。 其中，无源芯片方面，激光雷达分路器芯片已完成高功率验证；针对 400G/ 800G需求，在骨干网开发出超大带宽 AWG 芯片并完成送样，在数据中心开发出DR4/ DR8 光组件并实现小批量供货；开发出二氧化硅基光子芯片制造技术，可对外提供相应服务。有源芯片方面，在千兆接入网络用激光器芯片、硅光用大功率激光器芯片、激光雷达用激光芯片器件、EML 正在研发，25G 1286nm DFB 激光器送样客户验证。随着公司持续加大研发投入与技术创新，深化无源+有源双平台优势，积累芯片产业化技术研发优势，公司核心竞争力有望逐步增强。