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方正证券:【方正通信】光模块行业重磅深度:

发布日期:2019-12-15 08:33 来源:未知 点击:

  - 摘要 -1.全球网络流量持续爆发式增长,云计算巨头2Q19CAPEX开始回暖,叠加2H19~2020年云厂商400G交换机、光模块逐步放量,数通光模块市场有望再度进入高景气阶段。包括视频、VR、云计算、物联网在内的各

  1.全球网络流量持续爆发式增长,云计算巨头2Q19CAPEX开始回暖,叠加2H19~2020年云厂商400G交换机、光模块逐步放量,数通光模块市场有望再度进入高景气阶段。包括视频、VR、云计算、物联网在内的各类应用是驱动全球网络流量增长的主要因素,随着5G网络的规模建设,AR、VR、戏等应用有望持续推动企业和个人加速上云。云数据中心内部高密度的计算需求也使得数据中心内部流量在整个网络流量中的占比越来越高,数通光模块市场的重要性也因此日益显著。根据2Q19云计算巨头披露的数据,谷歌、亚马逊、Facebook及微软的资本开支合计环比增长27.7%,CAPEX重回增长的原因主要是为了支撑云计算业务的进一步扩张。同时,2H19~2020年数据中心市场200G/400G产品逐步进入放量阶段,云厂商CAPEX回暖叠加产品升级,有望推动数通光模块市场进入新一轮高景气阶段。

  2.交换机出货时间及出货量是数通光模块较好的指标,预计2020年主要云厂商400G光模块的需求量约为2019年的3倍。市场上通常参考云厂商总体资本开支来间接考察光模块市场的景气度,但光模块的支出占比通常较低,因此二者相关性并不高。我们从光模块在数通市场的应用场景(光模块用于交换机之间及交换机和服务器之间的连接)出发进行探究,发现1)光模块历史出货量与交换机端口出货量近似呈现4:10的关系。同时,我们考察不同速率光模块产品的放量时间,发现2)在相应速率交换机芯片发布后2年左右时间,随着交换机产品的量产,光模块产品也随之放量。据此结论,我们测算2019年底至2020年是400G产品开始上量的阶段,2020年云厂商400G光模块需求量约为80~90万只,较2019年增长约3倍。

  3. DSP方案使得电芯片供应格局重塑,国内厂商有望借此机遇再获发展良机。100G时代TIA、CDR及Driver等电芯片的供应商较多,因此市场普遍关注上游光芯片的供应格局。400G时代主要的核心技术包括PAM4及DSP等,在目前模拟方案尚无成熟产品出现的情况下,DSP方案成为光模块厂商的唯一选择。根据产业链调研及相关上市公司披露的数据,DSP芯片的主要供应商仅有Inphi和Broadcom。国内的光模块厂商包括中际旭创、新易盛分别和Inphi及Broadcom开展较好的合作,在电芯片产业链格局重塑的大背景下,我们认为这有助于上述公司在数通市场的拓展。

  5.风险提示:中美贸易摩擦风险;云厂商资本开支不及预期;400G需求不及预期;新技术出现打破现有产业链格局;市场竞争加剧的风险

  如何和预测光模块的出货量是市场关心的主要问题之一。目前市场上通常参考云厂商的总体资本开支来间接考察光模块市场的景气度,但光模块的资本支出占数据中心整体资本支出的比例通常较低(3%),因此光模块的需求量和云厂商的资本开支之间很难呈现出较为稳定的量化关系。

  为了解决上述问题,我们从光模块在数通市场的应用场景出发进行探究,考虑到光模块在数据中心主要用于交换机之间以及交换机和服务器之间的连接,我们重点考察了交换机端口及光模块的历史出货量数据,发现如下规律:

  1)光模块出货量与交换机端口出货量近似呈现4:10的关系。我们分别考察了40G、100G两种速率以及全球总体市场及数通市场两个不同的口径在2016-2018年的出货量。多组数据显示,相同速率条件下,光模块出货量与交换机端口出货量的比值约为4:10。

  我们认为出现上述比例关系的原因可能有:a)核心交换机或leaf和spine交换机之间的连接有端口剩余;b)交换机市场竞争格局更为集中,第三方数据统计更加准确,光模块竞争格局比较分散导致部分数据可能未统计进来等。

  同时,通过对2019年400G的光模块出货量进行测算,我们发现测算数据(2019年41万只)和市场调研的需求量是接近的,因此上述比例可以作为一个较好的和预测依据。

  2)光模块出货放量时间和交换机端口放量时间几乎一致,且高速率交换机端口放量通常在相应速率交换机芯片发布后2年左右时间。我们发现相同速率的光模块和交换机端口的放量时间几乎一致,这也符合产业应用的常识:采购交换机后开始上架并连接服务器,交换机的采购时间不会明显领先于光模块。同时,在新的交换机芯片发布后,通常需要2年左右时间来实现量产。据此可以看到2019年底到2020年是400G光模块逐步起量的时间段。

  鉴于交换机市场的竞争格局较为集中,且主要的传统交换机厂商(例如思科)和云交换机厂商(例如Arista)作为海外上市公司通常对未来业务发展有一定的和预判,通过上述交换机端口和光模块在数量和时间两个维度上的关系,我们可以通过参考交换机的相应数据及预期对光模块市场进行和预测。

  400G时代光模块厂商如何才能在竞争中胜出是市场关心的另一重要问题。经过100G时代的快速发展,国内光模块厂商以旭创为代表,在全球光模块市场份额的占比实现了快速提升。进入到400G时代,产业链上游发生的格局变迁又为光模块厂商带来了新的发展机遇。

  PAM4和DSP方案的应用改变400G光模块电芯片供应格局,产业链变迁为光模块厂商提供发展新机遇:

  100G时代TIA、CDR及Driver等电芯片的供应商较多,因此市场普遍关注上游光芯片的供应格局。进入到400G时代,由于相关技术标准普遍采用单通道50G速率,如果仍然采用NRZ调制技术,对于收发芯片的时间裕量以及传输链的损耗要求更加苛刻,因此使用传输信息效率更高的PAM4技术成为主流方案。同时,目前产业界仍然没有较好的模拟方案来实现PAM4调制,因此DSP方案成为光模块厂商的唯一选择。

  DSP芯片的主要供应商仅有Inphi和Broadcom。根据产业链调研及相关上市公司披露的数据,DSP芯片的主要供应商包括Inphi、Broadcom、MaxLinear、MACOM等。由于MACOM鉴于400G PAM的开发成本,将重点放在更便宜、更低功耗的模拟;MaxLinear推出了TelluridePAM,但目前并未有较好的销售;因此市场上DSP主要的竞争对手目前仅有Inphi和Broadcom。

  我们看好和上游芯片厂商有较好合作的光模块厂商。国内的光模块厂商包括中际旭创、新易盛分别和Inphi及Broadcom开展较好的合作,在电芯片产业链格局重塑的大背景下,我们认为这有助于上述公司在数通市场的拓展。

  光模块是光通信系统中重要的器件,用于实现信息的高速互联。由于铜缆在传递数据时带宽具有瓶颈,且传输距离有限,因此高速的数据传递需要通过光信号来实现。但是半导体芯片内部的信号都是电信号,所以就需要一个专门的工作单元将电信号转换为光信号之后再进行传递,待信息流传递到目的地后再由专门的工作单元将光信号还原回电信号,从而实现数据的传递。光模块就是这个专门的工作单元,在信息发送端把电信号转换成光信号,通过光纤传送后,接收端再把光信号转换成电信号。

  光模块用于实现电-光和光-电信号的转换,通常由光发射组件TOSA(含激光器)、光接收组件ROSA(含光探测器)、驱动电和光、电接口等组成。(1)光发射组件TOSA:由核心部件光源激光二极管、LD芯片、监测光电二极管(MD)和其他元件封装共同构成。一定速率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器(LD)发射出相应速率的调制光信号,通过光功率自动控制电,可输出功率稳定的光信号。(2)接收组件ROSA:由光电检测器、前置(跨阻)放大器(TIA)和其他元件封装共同构成。一定速率的光信号输入模块后由光探测器(PD)转换为电信号,经前置放大器后输出相应速率的电信号。

  光模块有多种分类方式,典型如依据封装方式、速率、传输距离、调制格式、是否支持波分复用(WDM)应用、光接口工作模式、工作温度范围等进行分类。按封装方式分类有 SFP+、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等;按速率分类有10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等;按传输距离分类有100m、10km、20km、40km、80km及以上等;按调制格式分类有NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等;按是否支持波分复用(WDM)应用分类有灰光模块(不支持WDM)和彩光模块(支持WDM);按光接口工作模式分类有双纤双向(Duplex)、单纤双向(BiDi);按工作温度范围分类有商业级(0~70℃)、工业级(-40~85℃)等。

  光模块应用领域可分为电信市场与数通市场。(1)电信市场:下游应用者是运营商,通常由网络设备制造商先采购光模块,整合后再卖给运营商客户。(2)数通市场:下游应用者主要是互联网服务商的数据中心,如BAT、谷歌、亚马逊等。与电信市场不同的是,互联网服务商会直接认证光模块并因此直接向光模块厂商进行采购。

  近年来数通市场逐步成为驱动全球光模块增长的主要细分领域。根据Lightcoungting数据显示,全球光模块的发展历史按驱动因素可大致分为三个阶段:(1)1998-2006年,长途通信驱动阶段;(2)2007-2015,光纤到户驱动阶段;(3)2014年以来,数据中心东西向流量驱动阶段。2019年,光模块及相关部件市场规模预计达100亿美元,到2021年这一数字将达到120亿美元。(注:此口径为光模块及相关组件的合并口径,并不是单纯的光模块市场规模)。近年来,以谷歌、亚马逊等为代表的云计算厂商的资本开支不断提升,驱动云数据中心建设数量和流量的不断增长,数通市场近年来实现了迅猛的发展,在整体市场中的重要性也日趋显著。

  数据中心的光电互联根据所处网络不同,可分为TOR、叶交换机、脊交换机以及核心交换机互联等:

  1)TOR(Top of Rack):指的是在每个服务器机柜上部署1~2台交换机,服务器直接接入到本机柜的交换机上,实现服务器与交换机在机柜内的互联。

  2)叶交换机(Leaf)&脊交换机(Spine)互联:在Leaf-Spine网络架构中:任意两台Leaf交换机之间的通信径是一致的,即Leaf→Spine→Leaf。叶交换机负责连接服务器和网络设备,每个Leaf交换机都连接到结构中的每个Spine交换机。主机可以通过Leaf交换机和另一个叶交换机上的主机进行通信。Spine交换机节点内的任意两个端口之间提供延迟非常低的无阻塞性能,从而实现3级CLOS网络。

  3)核心交换机(Core)&脊交换机互联:指部署于核心层的网络交换机。核心层是整个网络布局的核心主干部分,承受、汇聚着所有传输流量,起到管理作用,是网络性能的主要保障。

  1)20m:光模块主要用于机柜内部的服务器和TOR交换机互联,目前数据速率以10G、25G为主,正在向50G或100G过渡。实现方式以DAC(直接连接的铜线电缆)或AOC(有源光缆)电缆为主。

  2)500m:主要用于数据中心同一机房内叶到脊交换机的互联。目前数据速率以40G、100G为主,正在向400G过渡。其中100m以下的短距离主要以850nm的多模(MM)光纤为主;100m~500m距离主要以1310nm波长的单模(SM)光纤为主,出于成本考虑主要采用并行单模(PSM)技术。

  3)10km:主要用于数据中心楼宇间交换机或由器的互联。目前数据速率以100G为主,正在向400G过渡。这个距离上光纤的成本占比已经较大,因此多采用波分复用技术在单根光纤上传输更多信号,以1310nm波长的粗波分复用(CWDM)技术为主,部分短距离(500m~2km)场合仍可使用PSM技术。

  4)10km:主要用于多个数据中心间的互联(DCI)。目前实现方式以100G+DWDM(密集波分复用为主),未来80km以上主要采用400G相干通信+DWDM,80km以下也有采用PAM4+DWDM的实现方式。

  全球数据中心流量保持高速增长,云数据中心流量占比预计将不断提升。在5G建设、物联网及云计算行业发展、AV&VR&视频等应用渗透率不断提高等因素的推动下,全球网络流量持续、高速增长。同时,云数据中心的主导性地位将得到不断强化,主要原因为:相比传统数据中心,云数据中心具备处理更高流量负载的能力,支持增强虚拟化、标准化和自动化,拥有更好的性能以及更高的容量和吞吐量。根据Cisco数据,2019全球数据中心流量估计达到14.1 ZB,预计2021年将达到20.6 ZB,实现2019-2021年复合增长率21%、2016-2021年复合增长率25%。同时,云数据中心流量将以更快的速度增长:2019年,全球云数据中心估计达到13.1 ZB,占比约93%,2021年有望达到19.5 ZB,占比约95%,实现2019-2021年复合增长率22%、2016-2021年复合增长率27%。

  流量迅猛增长促进全球大型数据中心与超大型数据中心数量不断增加,光模块下游应用需求随之增长。根据Cisco数据,2019年全球超大型数据中心数量将达到509个,同比增长44%,预计到2021年,全球超大型数据中心数量将会达到628个,2019-2021年实现年复合增长率11%,2016-2021年实现年复合增长率13%。从结构上看,亚太地区(主要为中日)超大型数据中心数量占比将有显著的提升,从2016年的30%提升至2021年的39%,数量由2016年的101个提升至2021年的245个。由于光模块是数据中心中不可或缺的部件,数据中心数量的增加将直接带动光模块应用量提升。

  数据中心分布式计算和大数据的应用大幅增加了服务器间的流量交互,导致东西向流量占据了主导份额。数据中心通信可按照连接类型分为三类:(1)数据中心到用户,由访问云端进行浏览网页、收发电子邮件和视频流等终端用户行为产生;(2)数据中心互联,主要用于数据复制、软件和系统升级;(3)数据中心内部,主要用于信息的存储、生成和挖掘。数据中心内部互连产生的数据又称东西向流量,而数据中心与用户互连的数据又称南北向流量。传统的数据中心中,主要业务是在服务器部署WEB应用,供数据中心外的客户端使用,大部分流量是南北向流量。而云数据中心中数据服务的内容和形式发生巨大变化,虚拟化服务器具有更高的利用率和网络连接需求,分布式计算和大数据使得应用在多个服务器间进行大流量交互,数据流量从南北向为主转向东西向为主。

  根据Cisco数据,2018年数据中心-用户间流量达到1.6 ZB,占比14%;数据中心间流量达到1.3 ZB,占比11%;数据中心内部流量达到8.6 ZB,占比75%。预计到2021年,数据中心-用户间流量达到3.1 ZB,占比15%;数据中心间流量达到1.3 ZB,占比14%;数据中心内部流量达到8.6 ZB,占比71%;东西向流量合计达到17.5 ZB,占比达85%。东西向流量持续稳定占据主导份额。

  传统数据中心三层网络结构在东西向流量传输上存在缺陷,行业逐渐向叶脊式拓扑结构转变,单个数据中心的光模块应用量大幅增加。传统三层架构模型包含:Access Layer(接入层):接入层位与网络的最底层,负责所有终端设备的接入工作,并确保各终端设备可以通过网络进行数据包的传递。Aggregation Layer(汇聚层):汇聚层位于接入层和核心层之间。传统数据中心使用STP技术,每个业务模块都是一个烟囱结构,虽然上联多根链,但都是主备关系,仅有一根链能跑流量,业务模块互相调用需要经过多个三层设备(平均需要经过6次物理设备)。数据流量每经过一次设备都会增加一点延迟,无法承载数据中心日益增长的业务。

  而叶脊结构具备横向优势,叶脊网络扩大接入和汇聚层,一个主机可以通过叶支交换机(leaf)和另一个叶支交换机上的主机进行通信,而且是的通道。这种网络可以大大提高网络的效率,特别是高性能计算集群或高频流量通信设备。采用叶脊式架构的数据中心内部数据交换和吞吐能力更强,同时网络结构也更加扁平化和密集,导致单数据中心对于光模块的应用量提升约4-8倍。

  相比传统电信市场,云数据中心市场对光模块需求的差异主要体现在:技术迭代快、速率更高、需求量更大。由于云数据中心流量增速、网络架构、可靠性要求和机房与电信级网络的差异,云数据中心对光模块的需求体现以下特点:迭代周期短、速率要求高、高密度、低功耗等。(1)迭代周期短:数据中心流量高速增长驱动光模块不断升级。包括光模块在内的硬件设备跌代周期在3年左右,而电信级光模块的迭代周期一般在6-7年以上,有利于技术投入多、客户响应快的公司。(2)速率要求高:由于数据中心流量爆发性增长,最尖端的技术基本都最先应用在数据中心。对比5G和数通来看,5G前传回传主要应用25G和100G,显著滞后于数通。(3)高密度(需求量大):高密度的核心是为了提高交换机和服务器单板传输容量,本质上依然是为了满足流量高速增长的需求;同时,密度越大,意味着需要部署更多的光模块,利好产能充足的公司。

  继100G之后,行业正在向400G部署迈进。云数据中心的流量爆发式增长,驱动了光模块工作速率不断升级,并呈加速态势,10G速率端口迭代到40G速率端口经历了5年,40G速率端口升级到100G速率端口经历了4年,而自2018年开始,行业已开始400G架构的部署。如前所述,未来数据中心所有的出口数据都需经过内部的海量运算(尤其是AI等应用的崛起内部流量/出口流量更加庞大),数据中心内部东向的流量占比提高,数据中心架构将趋向扁平化。因此,云数据中心将成为400G的主要推动者。

  400G光模块标准要求单通道速率提升,NRZ调制方式存困难,PAM4调制成为主流。光模块提升带宽的方法一般有两种,增加通道数或提高单通道的比特速率。若单纯通过提高通道数来提升速率(如16*25G方案),将大大增加光模块的尺寸和成本;若单纯依赖提升单通道速率(如4*100G方案),芯片方面目前还不够成熟。综合考量后,行业标准普遍采用8*50G的折中方案,通道数翻倍,比特速率同样翻倍。由于NRZ信号是采用高、低2种信号电平来表示要传输的数字信号1、0信息,每个信号符号周期可以传输1bit信息;而PAM4调制方式采用4个不同的信号电平来进行信号传输,每个符号周期可以表示2个bit信息,要实现同样的信号传输能力,PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可,传输通道造成的损耗大大减小。因此,在200G/400G接口标准普遍要求每对差分线Gbps及以上的情况下,如果仍然采用NRZ技术,由于每个符号周期只有不到20ps,难以满足收发芯片的时间以及传输损耗的要求,所以PAM-4技术的采用成为了必然趋势,尤其是在电信号传输距离超过20cm以上的场合。

  DSP芯片拥有强大的支持复杂高效率的调制方式的能力,是PAM4调制方法下最理想的实现方法。DSP即高速数字处理芯片,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。PAM4的方案包括1)基于DSP的数字DAC实现方法和2)基于模拟的Combine方法。模拟方式可通过两NRZ信号进行相加操作,而DSP数字DAC方式则是基于高速DAC的方式进行0/1/2/3电平的快速输出,实现速率翻倍。鉴于无线信道的传输非常复杂,使用传统的模拟补偿无法满足无线信道的补偿需求,而DSP恰恰能够弥补这一劣势。此外,DSP芯片还可以进行色散补偿操作,去除噪声、非线性等干扰因素。对于单波100G以上的应用来说,目前的发送端电驱动芯片与光器件都达不到50GHz以上的带宽,因此在发送端相当于引入了低通滤波器,在时域上表现为码间干扰。而引入DSP之后,可以在发送端直接对信号进行频谱压缩,接收端在通过自适应的FIR滤波器对信号进行恢复,用这种方法可以把调制/接收器件中不可控的模拟带宽影响变成已知的数字频谱压缩,降低对光器件带宽的需求。整体而言,使用DSP方案的400G产品处理信号的能力更加优异,主要表现为电口适配能力强,光电性能好等,DSP方案也成为400G的核心技术之一。

  400G光模块依据技术参数种类不同可有不同的划分标准。从光波长上区分,400G光模块可以分为多模(MM)、单模(SM);从信号调制方式上,分为NRZ和PAM4调制(目前以PAM4为主);从传输距离上区分,400G光模块可以分为SR、DR、FR、LR。从封装形式上,400G光模块可以分为CDFP、CFP8、OSFP、QSFP-DD等。目前,谷歌采取8*50部署,单模多模均有,多模为SR8方案,则亚马逊采取DR-1和DR-4方案。

  通过对不同封装方式的对比分析,QSFP-DD和OSFP有望成为主流。行业关于技术径选择的考量标准主要在于产业化进程和成本两个方面,其中成本主要从功耗、材料成本、端口密度、兼容性、成本等维度考量。

  1)产业化速度:400G CFP8由于技术成熟较早,产业链完善,所以产业化速度最快。其次是400G OSFP。最后才是采用新技术、标准还在不断完善中的400G QSFP-DD和COBO。

  2)功耗:400G COBO体型比400GQSFP-DD稍大、内部光器件又比400G CFP8少,所以最优秀。400G CFP8由于体积大,所以散热较好,排在第二。400G OSFP可排第三。400GQSFP-DD体积最小,散热差,功耗也就越大。

  3)材料成本:400G CFP8采用的激光器最多,规模部署后的成本比较大。其次是体积稍大的400G COBO和OSFP。400GQSFP-DD的材料成本最低。

  5)从兼容性角度来讲:400G QSFP-DD的设计与QSFP方案兼容,原先的QSFP28模块仍可以使用,只需再插入一个模块即可(如图四所示)。然后是成熟度较高的400G CFP8,排在第三的是400G OSFP,兼容性最低的是400G COBO。

  6)从难度来讲:400G COBO不支持热插拔,板中有任何一个模块失效,更换过程需要把整板业务停掉,取出板卡后才能进行,后期。其余封装类型支持热插拔,简单。

  综上,400G CFP8受制于功耗、材料成本等关键因素,成为400G光模块的主流封装形式可能性不大;COBO更可能是400G光模块市场的过渡产品。我们认为QSFP-DD和OSFP最有可能成为400G光模块的主流封装方式。

  【方正通信】光模块行业重磅深度:云厂商CAPEX回暖与400G产品升级形成共振,国内光模块厂商再获发展新机遇