通信行光模块行业研究：AIGC时代不可或缺的传输管道核心组件

（报告出品：东北证券）

1. 光模块：光网络核心连接器件，深度受益算力带宽增长需求

1.1. 全光网络建设如火如荼，光通信产业链大有可为

我国通信网络建设当前正处于向绿色全光网迈进关键节点。通信网络是支撑我国数 字经济建设及经济社会进一步发展的关键性公共基础设施，其带宽、时延、连接能 力的提升是支撑满足 AIGC 爆发下大流量需求的必要条件。而与传统铜线相比，光 纤作为通信介质既可以显著提升网络传输速度，又能够降低能耗，符合国家绿色中 国战略要求。回顾我国固网通信接入领域发展历史，2010 年前主要以铜缆连接为主， 当时技术尚不成熟，速率低且距离受限。2010 年-2020 年为光纤网络逐步普及，渗 透率缓慢提升阶段，骨干网部分铜缆被光纤替代，光纤到户开始建设。2020 年至今 我国已较大程度实现光纤到户，进一步提速的双千兆战略正在建设，我国固定网络 建设正向 F5G 千兆光网的绿色全光网时代迈进。

光通信普及解决传统通信方式铜缆信号衰减、高能耗痛点。传统固网建设大都采用 铜线作为通信传输媒介，存在信号衰减快、能耗更高等缺点，此外铜作为国家战略 资源，自给率较低。根据中铝集团统计，我国铜精矿自给率从 2000 年的 43.25%降 至 2020 年的 22.8%，固网建设继续大量使用铜缆会进一步加剧铜矿供应短缺风险。而 F5G 千兆光网采用光纤作为介质，其原料二氧化硅易获得且使用寿命长，此外光 信号传输相比电信号传输衰减损耗及抗干扰能力更强。对家庭用户使用光纤网络相 对于铜线/同轴电缆的节能幅度可以达到 60-75%/70-85%，每户每天可节省电量达 0.15kWh。

1.2. 光模块是光通信网络中实现光电转换的核心部件

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光通信在通信系统中不可或缺，应用范围有望持续拓展。光通信作为目前多种通信 方式中的一类，主要指以玻璃光纤为介质。光纤通信的通信系统，属于通信技术的 一种。因光纤传输的高速率低损耗优势在通信系统中广泛应用。目前电信系统组成 中的发射机、接收机、传输媒介以及模拟数字信号的转化过程中均需用到光通信技 术。随着全光网建设进程深入光通信将进一步提升在通信网络中的应用广度，光通 信产业链处于长期成长周期。

光通信产业链：光芯片国产化潜力大，光模块世界领先深度受益 AI 需求爆发。光 通信光通信产业链主要包括上游的光芯片、光组件厂商，中游的光器件、光模块及 光通信设备厂商以及下游的客户三个环节。光通信设备主要应用在电信市场的运营 商网络建设及数据通信市场的互联网厂商的数据中心互联通信中。从各个环节来看， 光芯片环节价值量高，但尤其在高速光芯片领域由国外厂商主导，国内厂商从低速 光芯片开始逐步提升渗透率。光器件光模块领域，国内龙头中际旭创、新易盛、光 迅科技、天孚通信等已取得世界领先地位，已成为北美头部云厂商等客户重要供应 商，深度受益 AI 算力爆发带来的高速光模块需求，有望迎来业绩爆发式增长。光通 信设备环节我国华为、中兴、烽火等厂商均取得全球领先地位，国产化率较高。

光纤通信通过光电信号转换实现高速信息传输。光纤通信网络主要由发射机、中继 器、接收器及光纤光缆等部件组成。其中光发送机由光源、驱动电路等组成，光源 将输入信号由电信号转换为光信号，并通过连接器及耦合技术注入光纤线路在光纤 中通过折射传播。光中继器的作用为将经过长距离传输后受到损耗的微弱光信号通 过放大、整形等环节再生成一定强度的光信号，降低信号失真并保证通信质量。光 接收机由光探测器、放大器和相关电路组成，负责将从光纤线路输出的光信号转化 为电信号，并经过放大和后处理后恢复成发射前的电信号。

光模块目前以可插拔式为主，其结构构成中 TOSA 和 ROSA 为核心器件。光模块 集成了发射及接收数字或模拟信号的功能，通常以独立于网络外部的可插拔式为主， 也有网络芯片形式。一个典型光模块包含发射器、接收器、集成电路、射频电路、 数字控制及机械部件等部分。其中 TOSA（发射光组件/Transmitter Optical Subassembly）、ROSA（接收光组件/Receiver Optical Subassembly）及电路板是成本 占比最高的部件。而 TOSA 和 ROSA 作为发射和接收信号的关键器件，直接影响整 体光模块性能，其中 TOSA 主体为 VCSEL、DFB、EML 等激光器芯片，ROSA 主 体为 APD、PIN 等探测器芯片。一般光模块中光芯片成本占比在 30%-40%左右，而 高端高速光模块这一比例可以提升至 50%左右。

光模块技术演技路线方面，光模块技术迭代速率持续加快。从光模块行业技术演进 时间节点来看，2014 年-2018 年行业主要以 100G 光模块为主流产品，2020-2021 年 行业领先企业开始启动 400G/800G 光模块研发推进工作。在 AIGC 推动下，预计 800G 光模块在 2023 年开始小批量生产，下一代 1.6T 光模块预计 2025 年开始逐步 量产。

光模块技术集成化趋势不断提升以应对算力剧增带来的更高技术要求。AIGC 爆发 下大模型训练需求快速提升、算力及数据中心互联需求催生对于更高速率、更高性 能机低功耗的光模块产品需求。通过不断缩减光模块与交换机 ASIC 的距离，从而 一方面减少铜线的使用降低功耗、另一方面缩短使用铜线的传输距离而提高光纤传 输的距离占比从而提高整体光模块的传输速率。目前大规模应用的技术路线为可插 拔式光模块，技术成熟。主要通过 QSFP 连接器与交换机电路板连接，通过铜线与 交换机ASIC芯片传输数据。未来光模块会逐步集成到电路板上，并逐步缩进与ASIC 芯片的物理距离：OBO 板载光学为将收发模块通过插槽插到电路板上，该项技术 2015 年开始研发；近封装则是将光引擎插到承载交换机芯片的有机衬底上，光引擎 与交换机芯片距离缩减到 150mm，预计 2026 年左右时间点开始会有大规模应用；共封装技术下光学与交换机芯片距离进一步缩至 50mm，且通过TSV 技术完全集成， 2.5D 共封装技术成为主导时间点推测在 2032 年左右，3D 共封装完全继承时间点则 要更远。

从行业远期发展来看可插拔式光模块受限于能耗指数级增长，推动以 CPO 为主要 降低功耗技术路径的研发及商业化需求。根据 Science 杂志文章《Recalibrating global data center energy-use estimates》数据，全球数据中心能耗 2010-2018 年仅增长了 8%， 外推到 2022-2023 年仅增长 2%-3%，主要原因在于云厂商将算力从企业级数据中心 向超大型数据中心转移提高效率、以及服务器级内存效率稳步提升。从能耗分布来 看，数据中心能源消耗主要来自于服务器和基础设施。随着数据中心 PUE 值降低及 效能比提升，服务器电力消耗逐渐成为主要部分。存储消耗占比也有较大提升但占 比较低，基础设施消耗占比逐渐下降。网络消耗占比一直处于较低水平， 2012/2018/2022 年数据中心网络侧用电占比分别仅有 1%/2%/3%。随着 800G 等高速 光模块渗透率提升，功耗将呈指数级增长，预计到 2028 年光学部分能耗在数据中心 占比将超过 8%，传统可插拔式光模块进一步提速将受到功耗急剧增长限制，而以 CPO 为代表的新兴技术相比可插拔式光模块可实现 25%-30%的功耗节省，CPO 技 术目前面临的挑战在于封装和低损耗光线互联，在技术成熟后可以大幅改善光模块 耗电情况，支撑数据中心数据传输带宽提升。

1.3. AIGC、云计算等驱动下数据流量爆发增长，算力需求及支出激增

人工智能、云计算、5G、大数据、元宇宙等新技术应用爆发下数据流量高速增长， 数据中心主导数据流量处理和交换。根据公开数据，2021 年全球产生数据流量为 20.8ZB，其中 99.04%（20.6ZB）为数据中心 IDC 产生的流量。其中数据中心内部、 数据中心与用户间、数据中心与数据中心间产生的流量分别为 14.7ZB、3.1ZB、2.8ZB。2016 到 2021 年全球数据中心流量从 6.8ZB 增至 20.6ZB，年复合增速 24.8%，而云 数据中心流量从 6ZB 增至 2021 年的 19.5ZB，年复合增速达 26.6%。在我国东数西 算、数字经济建设背景下对于核心算力基础设施数据中心的高吞吐及大带宽需求愈 发迫切。

数据流量爆发及 AIGC 驱动下，企业人工智能（AI）支出快速增长，中国智能算力 规模高速提升。根据 IDC 数据，全球企业 AI 投资从 2019 年的 612.4 亿美元增至 2021 年的 924.0 亿美元，预计 2022 年增长 26.6%至 1170.0 亿美元，2025 年有望突 破 2000 亿元。AI 支出增速显著高于数字化转型投入增速。数字化进程推进下海量 数据增长使得我国算力基础设施建设快速发展。根据《2022-2023 年中国人工智能 计算力发展评估报告》，我国智能算力规模预计从 2021 年的 155.2EFLOPS 增至 2026 年的 1271.4EFLOPS，2021-2026 年年复合增长率达 52.3%，而同期通用算力规模从 47.7EFLOPS 增至 111.3EFLOPS，年复合增长率 18.5%。

大模型推动中国 AI 相关支出快速增长。根据 IDC 数据，2022 年中国 AI 市场规模 小幅低于预期，同比增长 17.9%，主要系疫情、经济形势及供应链等原因使得政企 客户市场服务器及存储系统采购放缓。到 2023 年随着 ChatGPT 大模型引领下的 AIGC、数字人、多模态大模型等需求爆发，增速有望回升，市场规模将达 147.5 亿 美元，到 2026 年将达 264.4 亿美元，2021-2026 年五年复合增长率超过 20%。细分 产品来看，AI 硬件占比超过一半；AI 软件受益于 NLP、CV 等大模型带来的性能提 升占比有望快速增长，预计到 2026 年中国 AI 软件市场规模将达到 76.9 亿美元，占 比 29%，较 2021 年提升 10 个百分点；AI 服务市场到 2026 年将达到 32.7 亿美元， 五年年复合增长率近 30%。细分市场来看，互联网云厂商等专业服务领域行业客户 仍是主要需求方，其次为地方政府、银行和通讯领域，预计到 2026 年占比分别为 29.3%、8.9%、7.8%和 7%。其中银行和地方政府增速最快，五年 CAGR 超 23%。

1.4. 电信侧光模块：前传、中后传向更高速率演化

5G 演进下前传带宽催生 50Gb/s 及更高速率光模块需求。通信领域前传光模块是连 接基带处理单元（BBU）与远端射频单元（RRU）/有源天线处理单元（AAU）的重 要构成部分。其速率不断演进从 2G 的 1.25Gbps、3G 的 2.5Gbps 到 4G 的 6/10Gbps， 传输距离包括 300m、1.4km 和 10km 等。5G 接入网下 AAU 天线数量将提升 8 倍， 空口带宽从 20MHz 升至 100MHz，同样 CPRI 方案下带宽需求将提升 40 倍。通过 eCPRI 切分方案将部分 BBU 部署在 AAU 上降低带宽需求从而使得目前 5G 前传接 口带宽需求为 25Gbps。未来随着 Sub 10GHz、毫米波等频段上逐步部署，天线和空 口数进一步增加，前传光模块速率将达到 50Gb/s，推动对更高速率光模块需求提升。

5G 中回传光模块有望提升对 400G 及 800G 高速光模块的需求。5G 中回传接入层 以环形拓扑为主，典型带宽需求为 10/25/50/100Gb/s，而随着高速率远距离传输的光 模块技术如 400Gb/s、30/40km 技术方案的成熟和 800Gb/s 光模块的演进升级，下一 阶段 5G 中回传光模块有望采用更高速率新型光模块技术方案。

1.5. 东西向流量推动数据中心架构不断演化，高速率低能耗成为数通光 模块发展趋势

传统数据中心结构不断优化，由传统三层分层模块化结构向更扁平易扩展的 CLOS 架构演进。传统企业数据中心一般采用分层模块化设计，传统大型数据中心通常呈 三层网络架构：1）接入层/机顶交换机：用于所有计算点的连接；2）汇聚层：汇聚 交换机与 Access 交换机相连接，具备网关、路由策略等功能、并部署有防火墙、负 载均衡等业务；3）核心层：核心交换机用于汇聚层的互联并实现数据中心与外部网 络的通信。早期数据中心数据流量大多为南北向流量（数据中心外客户端到数据中心服务器流量），三层架构可以实现较好的负载均衡。而随着东西向流量（数据中心 内部服务器之间的流量）占据主导地位，催生三层架构分层模块化转向 CLOS 架构， CLOS 架构又包括 Fat-Tree 胖树、Spine-Leaf 的架构，更加扁平更易于水平扩展。

交换芯片速率提升带动 800G 和 1.6T 高速率光模块需求增长。从目前数据中心光模 块部署进度来看，2019-2020 年起亚马逊、谷歌、微软、Facebook 等北美头部云厂 商及科技企业的超大型数据中心内部互连已开始商用化部署 400Gb/s 光模块；而国 内数据中心节奏相对较慢，目前处于 100Gb/s 向 400Gb/s 的过渡正在大规模部署。此外，从数据中心交换芯片吞吐量历史演进来看，平局每两年速率提升一倍，预计 2023 年将达到 51.2Tb/s，2025 年之后达到 102.4Tb/s。交换芯片速率指数增长下 800Gb/s 和 1.6Tb/s 等更高速率将光模块需求有望逐步放量。

光通信在数据中心传输中逐步向短距离场景渗透。目前网络架构下机柜内部大部分 由铜线连接，随着 SerDes 速率提升解决速率限制瓶颈，铜线连接将向具备更大带宽 容量、更好电磁抗干扰性的光纤转移，从机架之间向板到板、芯片到模块以及新派 到芯片领域光学部件应用有望逐步提升。预计机柜顶交换机将同时具备数个用于向 下连接的可插拔接口以及向上连接的 CPO 节点。

数据中心互联下光模块向更高速率持续迭代，下一代 800G 光模块蓄势待发。数据 中心内部依据具体场景不同目前运用的光模块速率及技术不同。叶脊架构下数据中 心互联场景可以分为数据中心之间、脊-核心、叶-脊、TOR-叶、服务器-TOR、服务 器之间场景，除服务器与服务器间场景外其余场景互联均应用有光模块。预计随着 AI 带来的流量爆发驱动下，TOR-叶连接及之上的连接层级下一代均向 800G 速率转 换，光模块厂商迎来新一代技术带来增量需求。

数据中心内部互联数据流量（东西向流量）占比大，光模块向高速率、低功耗、低 成本和智能化方向演进。速率方面，提升驱动力主要来自交换芯吞吐容量和 Serdes 带宽提升，Serdes 是 ASIC 芯片与外界交换数据的基本单元，光端口带宽为 Serdes 带宽整数倍，如 100G CAUI4 端口包含 4 个 25G NRZ Serdes。功耗方面，400Gb/s 光模块早期功耗为 10~12W，预计随着技术进步长期功耗有望降低至 8~10W；目前 800Gb/s 光模块功耗为 16W 左右，此外光电共封装光引擎（CPO）技术也是未来发 展趋势，通过光引擎与交换芯片合封来降低互连 SerDes 功耗及成本能够降低光模块 未来随着速率提升而带来的功耗指数级增长。降低成本方面，主要通过调整机柜布 局、DAC 代替光缆、非相干方案长距离拓展等途径实现。智能化方面，AI、机器学 习、大数据技术赋能光模块健康度监控及故障预警等功能的增加也对光模块提出了 新的要求。

短期内技术成熟成本低的可插拔式光模块仍将为主流方案，未来 CPO 共封装模式 将逐步成为主流方案之一。预计 2024 年之前，可插拔式光模块仍将是市场主流技 术路线。其技术成熟、成本低，可以快速出货满足头部云厂商客户快速构建大模型 所需算力基础设施的激增需求。此外头部光模块厂商也于近几年相继推出板载光学 /共封装光学方案，目前处于渗透率提升、出货爬坡阶段，未来几年可插拔将与 CPO 路线共存，而随着 CPO 技术路线成熟、技术工艺进步带来成本降低下，预计 2030 年后 CPO 将凭借性能优势成为主流技术路线。

英伟达 A100、H100 GPU 为 AI 服务器普遍选择方案，A100 SurperPOD 架构下采 用 200G 光模块。当前英伟达 GPU 方案为 AI 服务器芯片主流，OpenAI 即用英伟达 H100 训练 ChatGPT。英伟达于 3 月推出算力更强的 A100 GPU 和 H100 GPU,算力 进一步提升行业领先优势明显，预计大模型厂商均将英伟达 A100 等为主要服务器 芯片方案。以 A100 为例，在英伟达 AI 数据中心架构解决方案 SuperPOD 中，每台 服务器配有 8 块 A100 GPU，每个 SuperPOD 共有 140 个 A100 服务器 170 个 200G InfiniBand 交换机，此外每台 DGX A100 配有 8 个 200Gbps 的高速计算网和 2 个 200Gbps 的高速存储网。每台交换机 40 个 200G 端口，则 170 个交换机共有 6800 个端口，考虑端口冗余下 70%-80%的端口利用率，则共 4760-5440 个 200G 光模块 需求，SuperPOD 共 1120 块 A100 GPU，则英伟达解决方案下 GPU 与光模块数量之 比为 1：4.25-4.86。

AI 推算类大模型带来算力需求为光模块带来的市场空间增量约为 6%-10%。依据 集邦咨询推测，类 ChatGPT 大模型训练及推理运营所需算力合计约为 30000 块英伟 达 A100 GPU；假设按照英伟达 SuperPOD 方案，根据上述测算，GPU 与光模块数 量之比为 1：4.25-4.86，取 4.5 计算。假设保守/中性/乐观情境下，类 ChatGPT 大模 型数量分别有 15/20/25 个，200G 光模块单价为 200 美元，则最后得出在保守/中性/ 乐观情景下 AI 服务器及数据中心带来的光模块增量市场空间分别为 4.05/5.40/6.75 亿美元；根据 Yole 数据，2021 年全球数通光模块市场空间约 59 亿美元，2021-2027 年 CAGR 为 19%，按照 2022 年增速 20%测算，则 2022 年全球数通市场规模约为 71 亿美元。AI 大模型带来的数据中心光模块增量在保守/中性/乐观情景下分别为 6.4%/8.5%/10.6%。

2. 需求端：AI 驱动高速光模块增量快速增长

2.1. 互联网/云厂商数通需求逐步成为主导，AI 驱动资本开支有望反弹

AI 推动下互联网厂商资本开支有望迎来拐点。光模块行业景气度与下游应用客户 通信运营商及互联网内容提供商的资本支出情况高度相关。根据统计测算，2015 年 以来通信运营商资本开支整体增长幅度不大，2021Q3、Q4 因国外运营商 5G 投资加 大有所增长。互联网厂商则为应对数据流量持续增长带来的服务需求不断加大资本 投入，2015Q1 互联网内容提供商（ICP）的资本开支占比不足 20%，至 2022Q4 占 比已超过 50%。从季度增速来看，ICP 资本支出增速长期大幅快于 CSP，但二者在 22 年均受疫情及经济影响逐季度下滑。而 OpenAI 的 ChatGPT 大模型的推出催生各 厂商加大大模型投入，ICP 资本开支增速有望回升。

运营商资本开支整体变化幅度不大，全球及我国运营商资本开支 2022 年受疫情及 经济影响有所下行。从历史趋势来看，全球头部通信运营商季度资本开支整体稳定 在 400-450 亿美元水平，因代际移动网络建设存在一定周期性。2022 年下半年资本 开支因 2021 年下半年支出较高而出现较大降幅。主要系 21 年下半年我国运营商 5G、算力等相关资本开支达到高峰所致，2021 年第三、四季度我国运营商资本开支 同比增速分别达到 27.8%、25.6%，高基数使得 2022 年三、四季度我国三大运营商 资本开支分别同比下滑 17.5%、8.9%。进入 2022 年我国运营商 5G 建设及资本开支 节奏开始放缓，预计未来随着产业数字化投入加大，整体运营商资本开支增速保持 平稳水平，电信市场光模块需求保持稳健。

大模型带来竞争态势下头部互联网云厂商资本开支增速有望回暖。互联网厂商因流 量需求激增不断扩张资本开支，我们测算全球 top15 互联网云厂商单季度资本开支 从 2015 年第一季度的 99 亿美元增至 2022 年第四季度的 500 亿美元，增速远超 CSP 资本开支增速。2020 年左右因疫情加大线上办公及流量需求，ICP 资本开支处于阶 段性上行周期，其中 2020 年第四季度资本开支同比增速达 47.2%。2022 年我国放 开管控后短期内宏观经济不景气、消费萎靡，致使头部互联网厂商因业绩不佳纷纷 裁员削减资本开支。全球 ICP 资本开支增速 2022 年四个季度分别下滑至 30.5%、 16.4%、13.2%和 9.5%，增速逐季度明显放缓。随着 OpenAI ChatGPT、微软 Copilot 等大模型及应用提出，AIGC 将成为下一阶段科技公司的核心竞争力，预计北美及 中国头部云厂商均将加大相关资本开支投入，行业景气度有望边际好转。

2.2. AI 驱动下光模块市场增速有望迎来反转

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议）

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