纳多德前沿洞察 | 光模块之数通市场发展趋势

全球数据中心建设如火如荼,数通市场持续高景气度

数据中心作为云计算最重要的基础设施之一,云计算的高景气度以及云服务厂商扩大的资本开支直接带动数据中心的繁荣度。长期来看,数据流量保持高速增长的趋势几乎是不可逆的,随着5G的大规模建设,万物互联将使得流量爆发式增长,同时VR/AR、超高清视频和车联网等下游爆款应用也将带来海量的流量需求,因此长期来看全球数据流量必将呈现高速增长的态势。数据中心的叶脊架构升级,以及速率升级在日益强劲的需求面前刻不容缓,将带来数通光模块数量以及速率提升的强劲需求。

100G光模块仍是主力,价格承压但需求持续增长

100G的数通光模块规格种类繁多,PSM4和CWDM4占比较大。100G光模块种类繁多,如果按照通道数来分的话,有4x25G架构的四通道光模块,有1x100G的单通道光模块产品;若按照封装方式来分类的话,有QSFP28和CFP4等光模块产品;若按照是否采用波分复用技术方案来分的话,有PSM4光模块,也有CWDM4光模块产品;若按照应用场景的传输距离来分的话,有SR4,LR4等光模块产品。但是目前来看,根据产业链调研的结果,100G PSM4和100G CWDM4光模块在整个100G光模块市场中的占比最大,达到近三分之二的份额。由于CWDM4 能够显著节省光纤资源,因此更受下游客户的青睐,占比达到45%左右。

100G光模块的不同类别及主要产品

100G DR1/FR1光模块市场超预期,未来在数通领域的战略意义重大

100G DR1/FR1光模块采用单通道100G的方式,1310nm波长的EML激光器替代传统的25G DFB激光器以实现50G的带宽,同时加入DSP以实现高精度的PAM4调制,从而达到100G的传输速率。目前来看,因为25G DFB芯片及相对应的Driver、TIA等电芯片比较成熟,成本相对比较低,而EML和DSP目前来看成本相对还比较高,因此100G DR1/FR1光模块的价格相比100G CWDM4还没有竞争优势。根据产业链调研,2021年100G DR1/FR1的市场规模预计将达到200万只。虽然成本上暂时还没有优势,但是战略意义巨大,主要反映在以下三点:

100G DR1/FR1目前可以取代2km以下所有的100G QSFP28系列不同方案的光模块产品,兼容性能非常出色,简单升级之后(电方案不变)即可取代10km级别的100G LR4光模块产品;

因为DR1/FR1只使用了单通道,因此整体成本相比四通道的要低,随着EML和DSP芯片逐步成熟,价格下降到一定幅度,100G DR1/FR1将会成为最具性价比的产品;

DR1/FR1可以通过Breakout方案将100G与400G的传输系统直接实现互联互通,方式简单且成本低。

100G光模块价格承压较大,未来降本增效意义显著

降本的主要驱动力来源是芯片,国产替代正稳步推进。光模块的核心部件包括光芯片、电芯片、光无源器件等。100G的光模块中,光芯片包括发射端的激光器(LD)和监测探测器(MPD)和接收端的光电探测器(PD);电芯片包括发射端的时钟同步恢复(CDR)、驱动器(drive),接收端的CDR、跨阻放大器(TIA),电源控制芯片和MCU等。平均来看,光电芯片的成本占总成本的比例为50%左右,对光模块的成本影响较大。25G的光芯片目前已经能够实现部分国产替代化,电芯片也已经有部分产品研发成功。若后续芯片能够实现完全国产替代化,100G的光模块成本将进一步降低。

200G光模块需求拉升超市场预期,高性价比是重要选项

200G光模块性价比出色,是数据中心速率升级路径上重要的产品。200G光模块的传输速率居于100G和400G之间,因此被认为是过渡期的光模块产品。目前,市场上有一部分的客户采用100G-200G光模块的升级方案,虽然错过了100G--400G直接升级的最短路径,但是200G的产业链更成熟,在100G光模块的基础上的设计变更也更小,是一款极具性价比的产品。

200G光模块的主流方案:QSFP-DD和QSFP56

200G QSFP-DD封装方式,即采用8x25G的结构,激光器采用25G带宽的DML激光器,单通道25G NRZ调制方案;200G QSFP56封装方式,即采用4x50G的结构,调制方案为PAM4方式。

200G光模块全系列可以广泛应用到各种场景中,市场空间广阔,除了不同的技术方案,200G光模块按照传输距离还分为SR,DR,FR,LR等。应用在数据中心内部,主要是SR和FR两种光模块产品。虽然400G光模块目前已经开始大规模出货,但是200G光模块的市场依旧广阔。根据产业链调研,200G光模块今年的总需求量为100~150万之间,超出市场预期,且明年的需求量将超过200万只。

400G光模块市场持续火热

400G光模块是数据中心速率升级的重要光互连产品之一。随着5G建设逐步落地,云计算的需求日益强劲,物联网设备指数级增长,都将带来数据传输、计算等需求迅猛的提升。数据中心作为新一代的数字地产,是重要的数字基建设施之一。为了应对如此爆发式增长的数据处理需求,数据中心也正处在速率代际升级的过程中。机柜内部的服务器与TOR交换机主要以10G/25G为主,正向50G/100G阶段过渡。而Leaf交换机与Spine交换之间的互联、数据中心之间的互联目前主要以40G/100G为主,正向400G过渡。

400G光模块的种类多,应用场景多,广泛应用于数据中心中

与 100G 光模块一样, 400G 按照距离、是否采用 WDM 也可以分为多种光模块产品。同时,400G 按照封装 方式可以分为 QSFP-DD 和 OSFP 方案,QSFP-DD 封装方案尺寸相对更小,OSFP 的 封装方案虽然尺寸更大,但散热相对更好。在电口侧,目前 400G 光模块都是采用 8x50G 的电信号传输方案;而在光口侧,则主要分为 8x50G 和 4x100G 两种方案,对应的产 品分别是 SR8/DR8/FR8 和 SR4/DR4/FR4 系列光模块。8x50G 的光口方案,光口侧的 信号速度和电口侧的一致,均为 8x50G PAM4 信号,因此,光模块内部只需要 CDR 进 行时钟恢复即可;4x100G 的方案,光口侧信号速度是电口侧的两倍,为 4x100G PAM4 信号,因此需要 Gearbox 来使得两路电信号复用到一路再调制到光上进行光电转换, 成为一路光信号。

400G光模块技术门槛更高,国内厂商处于领先地位

100G 光模块无论从技术方案、 工艺积累还是产业链完备度都已经非常成熟,因此准入门槛也比较低,涌入了很多光模块厂商,使得产品的价格也受到了较大的冲击。而 400G 光模块无论是从电路、光路、 Firmware、生产良率和可靠性上都有更高的门槛,因此目前市场上能够大批量供货的光模块厂商并不多。另一方面,400G 光模块是数据中心下一代产品,正处在代际升级的初期,未来市场空间广阔。国内厂商在400G 光模块时代处在全球领先的位置,先发优势将有助于提高盈利质量,并在此基础上进行 800G 等更高速率产品的研发。

800G光模块研发窗口已至,将成下一主战场

800G光模块的技术方案包括 2x400G 和 8x100G 的方案,封装方式则与 400G 类似, 包括 OSFP 和QSFP DD800 两种。OSFP 封装方式主要由 OSFPMSA 组织牵头定义 的,其针对 800G 光模块已经发布了4.0 版本的规范文档;QSFP DD800 封装方式则由QSFP DD800 MSA 组织牵头定义,已发布 1.0 版本的规范文档。2x400G 的方案和 8x100G 的方案,其电口和光口的速率均为 100Gbps,主要区别在于使用的波长以及对 应的光接口,2x400G 采用的是 CWDM4 波长,光接口为 2xCS,8x100G若是 DR,则 采用 1310nm,若是 FR 和 LR,则采用 LWDM8 波长方案,光接口为 LC。

相干光模块规模化效应降低成本,下沉至多个应用场景,OpenZR+优势明显

相干光模块一开始适用于传输距离大于 1000km 的骨干网,后来逐步下沉至传输距离为 100 至 1000km 的城域网,小于 100 公里距离的边缘接入网,以及 80~120km 的数据 中心互联领域(DCI)。随着相干光模块开始规模化量产,成本不断下降,未来将广泛应用于 5G 接入网等需求量更大的市场。目前 400G 相干光模块有三种标准,分别为 400GZR、OpenROADM 和OpenZR+。其中 OpenZR+综合了 400GZR 和 OpenROADM 两种标准的优点,应用范围更为广阔,面向城域、骨干、DCI 和电信运营商,且可支持多供应商的互相操作性。

根据 lightcounting 的预测,采 用相干技术的 DWDM 光模块市场未来五年将保持约 20%的复合年均增长率,而 2021 年下半年 400G ZR、400G ZR+以及400G Open Roadm 相干光模块将开始第一次规模 化出货。同样,近年来相干光模块的热门应用领域DCI 市场未来的增速也很乐观,根 据 Dell’oro 的预测数据,到 2022 年 DCI 网络市场总量达到50 亿美元,而其中包含光模块的光传输网络部分占据最大的市场份额。

全光互联 智创未来

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