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亚马逊,微软,谷歌和Facebook等数据中心运营商正在快速构建自己的数据中心,同时通过将数据传输速度扩展到100G和400G以及更高的速度来提高连接性。节省空间,降低功耗和降低成本是指导数据中心运营商基础设施建设战略的关键考虑因素,因为它们试图降低平均每比特传输成本。

100G数通光模块正当红,400G还要多久?数据中心100G光模块正当红,17年出货量达350万个,18-19年有望连续翻番。400G光模块是下一代升级目标,QSFP-DD和OSFP在尺寸、功耗、实现难度等方面具有相对优势,有望成为主流封装格式。400G的升级是个系统问题,不仅要考虑光模块本身,还要考虑服务器传输速率需求和交换机芯片、电接口等整个系统的成熟度。服务器PCI-E接口、博通TOMAHAWK3交换机芯片、CEI4.0电接口标准等均在2017年底发布,综合考虑产业链商业化进程经验和光模块成熟度,我们预计2019年将成为400G光模块市场启动之年,出货量有望达到50万只,海外谷歌、亚马逊等云厂商将引领需求。建议重点关注400G布局完善领先的中际旭创,和有望实现市场突破的光迅科技等。

9月23日,阿里巴巴开发的面向内部数据中心网络,基于硅光技术的400G
DR4光模块全球首发,转化为25-27日的杭州云栖大会上进行现场首展。阿里继2016年,2017年40G和100G自研光模块全面部署后,在光互连领域的又一个重要技术进展和进展。和现阶段通行的100G光模块划分,网速将提升四倍。项技术将为阿里巴巴基础设施下一代光电一体化集成打下基础,预计2020年下半年将在阿里全球数据中心投入使用,并逐步为阿里云的全球云计算客户提供服务。

     
因此,他们必须尽可能以最低的成本最大限度地提高数据中心交换机中每个面板的数据吞吐量,从而最大限度地提高云数据中心的带宽密度,因此改善模块内光模拟和光子内容的集成,它是CFP,CFP2,CFP4,QSFP28,OSFP或QSFP-DD形式因子。

   
18H1大型云厂商资本开支同比增长71%,数据中心建设是投资重点。根据SynergyResearch最新数据,2018年上半年,20家大型云厂商的资本开支达到530亿美元,与去年上半年的310亿美元相比,增幅接近71%。数据中心建设是云厂商投资主力,截止2018一季度,全球大型数据中心数量已较2017年底的390个增加到420个,全年有望增长到500个以上。我们认为,云厂商资本开支的大幅增加和数据中心建设的持续热潮,标志着云计算、企业数字化转型等业务的高速增长,上游的IDC、服务器、光通信等产业链将从中持续受益,建议关注光环新网、浪潮信息、中际旭创等相关龙头标的。

图1,阿里巴巴硅光400G QSFP-DD DR4光模块外形图

       
同时,与网络服务提供商一样,云数据中心需要以经济高效的方式最大限度地提高安装光纤上的数据吞吐量。先进的调制方案可以有效地在硅片中实现,例如PAM-4,可以增加每个现有光纤连接传输的数据量,同时显着降低每位成本,因此PAM-4作为下一代数据中心的关键技术的重要性。各个云数据中心还需要以高带宽速度相互连接,以满足弹性和数据冗余要求,覆盖距离可达100公里。因此,数据中心互连(DCI)正迅速向100G和400G过渡,推动对高速城域光纤链路的巨大需求,芯科通信在产品类别中占据领先的市场地位,包括激光驱动器,跨阻放大器和时钟数据恢复集成电路。

   
我国首款商用100G硅光芯片投产,高端光芯片自主可控加速。日前,我国首款商用100G硅光芯片已经正式投产使用,可实现100G/200G全集成硅基相干光收发集成芯片和器件的量产,通过了用户现网测试,性能稳定可靠。该芯片和美国Acacia的技术路线总体一致,适用于传输网及数据中心间互联,有望对原有海外采购需求形成国产替代。我们认为,长期来看硅光技术有望替代现有分立器件主导的光通信器件,相干硅光芯片的突破标志着我国光器件领域的进一步自主可控。芯片研发依托于成立不久的光电子创新中心,也充分体现了创新中心机制的优越性,后续有望成果不断。

云计算和大数据的快速发展和广泛应用,对数据中心网络和光互连技术提出了很高的要求。从行业来看,数据中心网络流量基本每一,两年翻一番,光模块技术每3-4年就更新换代一次。现有数据中心网络普遍采用100G光模块,明年400G光模块将开始大规模部署,预计4,5年之后光模块的速率将达到1T以上。

通讯行当周报,Alibaba全世界首发基于硅光才具的400G。         
 芯科通信已经使超过100万个100G模块进入数据中心和企业应用。这个数字甚至超出了市场分析师迄今为止报告的最大预测值,包括长距离和短距离激光器和VCSEL驱动器,CDR和TIA的领导地位。我们相信这只是数据中心100G连接需求在未来四年内增长三倍的斜坡的开始。

    投资建议

如何在成本,功耗和尺寸保持不变的情况下来大幅提高光模块速率,满足云计算和大数据对大带宽数据传输的需求,是可持续发展光互连技术的关键,是光技术领域的一个很大挑战。硅光集成是解决这个挑战的一个关键技术。

         
进入2017年下半年,芯科通信期望将这些应用程序的端口出货量增加一倍以上。我们预计未来两到三年,100G光学市场增长将继续超过当前分析师的预测,主要由云数据中心对高带宽连接的需求所推动。

   
全球大型云厂商资本开支持续高增长,数据中心建设热潮将带动上游产业链,其中100G光模块需求持续翻番式增长,400G需求2019年有望启动,建议重点关注中际旭创、光迅科技、光环新网、浪潮信息等相关龙头标的。

这项技术通过把大量的光器件集成到单个硅光芯片上来大幅降低光模块的尺寸,简化光模块的设计和生产;它利用现有的集成电路生产工艺和技术,实现晶圆尺度的测试和封装,来大幅降低硅光芯片的生产成本;它通过把大量的光器件集成在一起来减少信号传输的损伤,降低信号处理的功耗由于硅光集成和CMOS集成电路采用相同的材料和生产工艺,硅光技术可以和集成电路技术相结合,最终达到光芯片和电芯片的一体化集成,来实现芯片和芯片间甚至芯片内部光互连,解决电芯片接口带宽瓶颈问题。

         

    风险提示

阿里巴巴硅光400G
DR4光模块尺寸采用了QSFP-DD封装,和现在的100G光模块尺寸,密度提高了四倍。

基于高性能模拟内容的坚实基础,并利用先进的刻蚀技术(EFT),芯科团队可以充分利用云数据中心的100G机会,复制我们以前在以下方面取得的突破性成本结构缩减:无源光网络(PON)

全球最大的单位体积和成本敏感的磷化铟(InP)激光器市场。利用晶圆级制造的成本结构优势,提供技术和经济优势,克服了传统Cleaved
Facet技术(CFT)固有的局限性,大大降低了制造用于光收发器模块的激光器的成本。

         
 鉴于采用CFT的供应商必须将其晶圆切割成棒状以形成激光腔的小面,而芯科通信的EFT方法则可实现晶圆级加工,从而可在全晶圆上形成功能齐全的激光。
CFT激光器的条形级测试非常昂贵,通常仅限于室温测试,而全温度范围测试对于晶圆级EFT激光器来说非常具有成本效益,并最终消除了任何有缺陷的激光器的下游封装。

       
 EFT的固有优势体现在芯科用于100G云数据中心应用的25G激光器产品组合中。利用我们内部晶圆级InP制造,我们的25G激光器产品组合反映了芯科与现有激光器供应商相比的成本和容量优势,巩固了我们在推动云数据中心爆炸性增长方面的行业领导地位。

     
凭借我们在EFT激光领域取得的成功,芯科团队迅速采用EFT技术,将跨越激光器,调制器和多路复用器的光学器件无缝集成到一个芯片上,从而获得业界首款与激光器集成的硅光子集成电路(PIC)
-PIC
TM)100G。通过解决将激光器与硅片PIC进行对准并以高产量和高耦合效率进行对准的关键挑战,芯科通信正在将硅PIC应用于云数据中心中的高速,高密度光学互连,并将APM的PAM-4
100G单λPHY技术与L-PIC增加4倍的带宽密度,并与PHY结合,实现高度流线化400G收发器,将使现有光纤基础设施的数据吞吐量翻了四番。

   
云计算渗透率和云厂商资本支出不及预期;中美贸易摩擦存在进一步升级可能;高端光模块技术革新存在不确定性。

图2,阿里巴巴硅光400G QSFP-DD DR4光模块内部结构图

PAM-4,模拟和光子方面的产品组合完成后,我们不仅在100G采用PAM-4,而且在400G更重要。在数据中心内,有两个标准

迄今为止,所有的标准都是NRZ,它使用芯科通信自主研发的25G激光器,100G激光驱动器,VCSEL驱动器和CDR。其次是PAM-4调制,这是400G的关键因素。

   
 对于100G收发器,单波长PAM-4技术可将激光器数量减少到1个,并消除了对光复用的需求。对于400G的实施,只需要四个光学组件,这为数据中心运营商提供了一个重要的机会,即通过一个非常紧凑和节能的模块降低其CAPEX和OPEX。超过一半的行业将在100G的数据中心内推进PAM-4。我们的模拟和光子内容以实现完整的前端功能,并结合使用SerDes和物理层的DSP以及数据转换器。这种方法的智慧最近得到了IEEE的批准,IEEE宣布标准化围绕该建议,AppliedMicro和思科倡导实施单个lambda
PAM-4作为100G和400G的行业标准。

       
芯科通信云端数据中心产品组合的持续战略扩张将包含关键协议并涵盖所有格式,使我们能够灵活地快速响应不断变化的市场动态。我们的旗舰产品是技术不可知的,可以轻松部署以满足我们的一级客户的独特需求。我们在云数据中心连接方面的能力使我们能够为客户提供整个光学组件,充分利用我们的发射光学组件(TOSA)组合和接收光学组件(ROSA)来优化和验证芯片级半导体集成和封装。对于没有内部光学封装专业知识的客户,芯科研发团队可提供部件和/或参考设计,使他们能够利用我们先进的光学元件加速下一代光学收发器的开发。应用我们独特的组合模拟和光子学技术领域的专业知识,芯科通信研发团队提供了成本优化光学组件所需的无缝集成内容,可在长途,城域和云数据中心中实现从100G到400G的路径。我们提供的支持技术使我们的客户能够率先在带宽密度方面取得突破性进展,创新改变全球连接性的下一代网络基础设施。

芯科通信推出100G基于PAM-4平台的产品解决方案系列,如下:

(1)25G / 50G / 100G多速率PAM4 DWDM QSFP28:

支持40×100 Gbps DWDM,每条光纤总共4 Tbps

灵活的数据速率可编程性,支持25 Gbps和50 Gbps应用

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(2)100G FR QSFP28:

符合100 Gbps Lambda MSA

支持100G连接达2公里

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(3)400G DR4和4x100G FR QSFP-DD / OSFP:

符合100G Lambda MSA

支持高达500米的400 Gbps连接

支持4倍100G FR的4X100G FR,可达2公里

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(4)400G FR4 QSFP-DD / OSFP:

符合100G Lambda MSA

支持高达2公里的400 Gbps连接

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就光模块内部结构图来看,整个模块由三部分组成:数字信号处理芯片DSP,阿里巴巴光引擎APE,光纤阵列FA及接头MPO。APE封装集成了基本所有的光电转换器件,大大简化了模块的设计和生产。该DR4光模块将用于阿里巴巴数据中心网络中交换机和交换机之间连接,距离可达1公里。

阿里巴巴基础设施近几年着手于硅光领域布局,通过和产业界经验丰富的Elenion和海信宽带的深入合作及联合技术攻关,打通了从硅光芯片的设计,封装,测试到光模块的设计这次硅光400G
DR4光模块的开发成功,是阿里巴巴长期技术转移和积累的结果,也开启产业生态共同进步的基石。

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