【光电通信】AI集群规模扩大，推动CPO&OIO提速

今日光电 2024-12-16 18:01

今日光电

有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。追光逐电，光赢未来...欢迎来到今日光电！

----追光逐电光赢未来----

核心要点 ／事件概览

一、从AI集群限制看下一代光通信技术CPO与OIO

光模块功耗随速率增加而上升，在云数据中心的功耗占比持续提升。随着带宽需求增加，交换机及光模块在单位容量成本、带宽密度及能效方面保持同步发展。随速率提升，单个光模块的功耗上升，从而导致整机功耗大大增加。光模块SFP模块的功耗约2W，100G光模块的功耗一般在1.5W~3W，400G QSFP-DD DR4光模块功耗可控制在12W以内，800G光模块的功耗在12W至16W之间浮动。根据LightCounting，2018年-2022年云数据中心光模块的总功耗为330MW或1.2TWh，略高于云数据中心总功耗的1%，至2028年预计光模块功耗占比达8%以上。

AI集群面临高功耗和成本限制，高带宽光连接需探索降功耗与降本方案。对于AI和云网络，其功耗、性能和可获得性相互制衡，不能通过牺牲功耗来达成可获得性。云计算运营商在为其基础设施提供更多电力等能源方面面临重大限制，若光学系统消耗更多的资源，将占用服务器和存储的预算。同时，AI集群受到光连接的高功耗和成本的限制。根据英伟达，如果不受功耗和成本的限制，可以多使用32倍的光器件。AI模型训练的执行需要大规模的GPU阵列，如果厂商能够降低其功耗和成本，高带宽光连接将是最佳解决方案。

光连接改变路径可分为持续改进可插拔光模块与开发新的光学技术，采用新的封装和光纤耦合设计，以实现成本和功耗效率的彻底改善。降低光模块功耗的不同途径产生了不同方案，可通过对驱动器、调制器、激光器、电接口的优化降低光模块功耗。

 对于驱动器的优化，LPO方案去除功耗占比最高的DSP（400G ZR光模块功耗占比49%），在数据链路中只使用线性模拟元件，通过使用具有优异线性度和均衡能力的转阻放大器（TIA）和驱动芯片（DRIVER）来替代DSP，适用于短距离连接。

 对于调制器的优化，薄膜铌酸锂由于半波电压低，相对于其他材料的调制器所需要的驱动电压更小，因而具有非常好的低功耗特性。

 对于激光器的优化，可通过提高电光效率或耦合效率两种途径。

 对于电接口的优化，OBO、NPO、CPO均为通过缩短交换芯片和光引擎的连接长度。OBO将光模块放到交换机内部的PCB上；NPO和交换芯片共同安装在HDI板上，本质仍是光模块，光模块与交换芯片的距离相较OBO距离更近；CPO将光引擎和交换芯片共同焊接在载板上，将硅光子模块和超大规模CMOS芯片以更紧密的形式封装在一起，实现成本、功耗和尺寸上的优化。

CPO有效改善功耗，1.6T模块功耗较传统热插拔模块降低50%。CPO共封装通过以下方式降低功耗：1）交换芯片和光引擎距离缩短，降低交换机系统功耗；2）硅光集成高密度封装，光模块内部电信号互联距离缩短了，比800G、1.6T的EML封装的内部铜布线距离要短，降低电信号损耗，降低模块自身功耗；3）采用外部激光器，环境温度密度降低，PCE效率提升，降低功耗。CPO相比较热插拔模块，1.6T模块功耗降低50%。

速率提升损耗增大导致传输距离制约，CPO克服速率传输瓶颈。电气通道较短，中间转换（过孔、连接器）过程越少，信号完整性问题越容易管理。可插拔形式下，光模块光引擎距离交换芯片很远，电信号在PCB中走线很长，在高速尤其是800G、1.6T光模块等场景下，PCB走线过长铜传输电信号形成巨大损耗，随着频率的提高，电连接损耗增大，且在考虑信号完整性的前提下，传输距离则越来越短，形成传输瓶颈。CPO极大地减少了信号在电光转换和传输过程中的距离，从而显著降低损耗、提高信号完整性、减少延迟，并且缩小了其体积。

CPO的下一步OIO，参数差异背后的本质为实现方式差异。相较于CPO从封装角度定义光模块，OIO是从连接方式上来表述的，使用光实现芯片的输入和输出，依托于光模块实体，该定义与电I/O相对应。OIO与CPO存在应用场景差异，OIO光互连主要应用于计算，可以看成计算的一部分，对时延、功耗和相干性要求比较严格，需要控制距离。OIO与CPO两者本质差异为参数差异，计算类OIO距离、时延和功耗参数均更优，其距离为10m，网络的距离可以达到100m到1km，用于计算和HPC的时延小于5ns，用于数据云网络的时延可以到20ns。参数差异源于背后历史因素，导致实现方式差异。CPO主要用于解决可插拔光模块的功耗问题，需要遵循可插拔光模块的系列标准，容量通过增加serdes的速率达成。而OIO需要关注的是switch内部的数据的速率，可以直接同步switch内部的并行数据的总线，总带宽可以通过光的不同波长来实现，在一定范围内的带宽的扩展降低能量代价，为其独特优势。

二、投资建议

CPO与OIO技术趋势及产业发展明确，相关产业链有望受益，建议关注:......

三、行业重点数据梳理

风险提示：宏观经济超预期扰动、行业竞争加剧、技术研发不及预期等。

特别提示：

本公众号不是招商证券股份有限公司（下称“招商证券”）研究报告的发布平台。本公众号只是转发招商证券已发布研究报告的部分观点，订阅者若使用本公众号所载资料，有可能会因缺乏对完整报告的了解或缺乏相关的解读而对资料中的关键假设、评级、目标价等内容产生理解上的歧义。

本公众号所载信息、意见不构成所述证券或金融工具买卖的出价或征价，评级、目标价、估值、盈利预测等分析判断亦不构成对具体证券或金融工具在具体价位、具体时点、具体市场表现的投资建议。该等信息、意见在任何时候均不构成对任何人的具有针对性、指导具体投资的操作意见，订阅者应当对本公众号中的信息和意见进行评估，根据自身情况自主做出投资决策并自行承担投资风险。

招商证券对本公众号所载资料的准确性、可靠性、时效性及完整性不作任何明示或暗示的保证。对依据或者使用本公众号所载资料所造成的任何后果，招商证券均不承担任何形式的责任。

本公众号所载内容仅供招商证券客户中的专业投资者参考，其他的任何读者在订阅本公众号前，请自行评估接收相关内容的适当性，招商证券不会因订阅本公众号的行为或者收到、阅读本公众号所载资料而视相关人员为专业投资者客户。

一般声明：

本公众号仅是转发招商证券已发布报告的部分观点，所载盈利预测、目标价格、评级、估值等观点的给予是基于一系列的假设和前提条件，订阅者只有在了解相关报告中的全部信息基础上，才可能对相关观点形成比较全面的认识。如欲了解完整观点，应参见招商证券发布的完整报告。

本公众号所载资料较之招商证券正式发布的报告存在延时转发的情况，并有可能因报告发布日之后的情势或其他因素的变更而不再准确或失效。本资料所载意见、评估及预测仅为报告出具日的观点和判断。该等意见、评估及预测无需通知即可随时更改。

本公众号所载资料涉及的证券或金融工具的价格走势可能受各种因素影响，过往的表现不应作为日后表现的预示和担保。在不同时期，招商证券可能会发出与本资料所载意见、评估及预测不一致的研究报告。招商证券的销售人员、交易人员以及其他专业人士可能会依据不同的假设和标准，采用不同的分析方法而口头或书面发表与本资料意见不一致的市场评论或交易观点。

本公众号及其推送内容的版权归招商证券所有，招商证券对本公众号及其推送内容保留一切法律权利。未经招商证券事先书面许可，任何机构或个人不得以任何形式翻版、复制、刊登、转载和引用，否则由此造成的一切不良后果及法律责任由私自翻版、复制、刊登、转载和引用者承担。

来源：招商通信硬科技