滿足AI算力要求能耗還低，光芯片手握AI芯片“王牌”，走向“高速路”
在算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)海量增長(zhǎng)的背景下，光芯片將會(huì)迎來(lái)巨大的機(jī)會(huì)。光芯片與光模塊是算力的底座，它是一種集成光學(xué)元件的芯片，能夠在芯片上實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳輸、調(diào)制、檢測(cè)、分析等功能。與傳統(tǒng)的光學(xué)元件相比，光芯片具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度、高可靠的光學(xué)信號(hào)處理和傳輸。目前，光芯片技術(shù)已經(jīng)成為光通信、光存儲(chǔ)、光計(jì)算等領(lǐng)域的核心技術(shù)。
當(dāng)前我國(guó)光芯片與海外差距在逐步縮小，是未來(lái)最有可能成為國(guó)產(chǎn)替代的領(lǐng)域。另外，激光雷達(dá)等應(yīng)用的快速落地也將有力推升光芯片的需求。
AI帶來(lái)增量市場(chǎng)
光芯片是光模塊成本中占比最大的部分。光模塊的成本由多種因素組成，包括光器件、電芯片、PCB 和外殼等原材料。其中，光器件的成本占比最高，達(dá)到了 73%。在光器件中，光發(fā)射器件和 光接收器件的成本占光器件成本的 80%，而激光器和探測(cè)器中的核心光芯片占據(jù)了總成本的 85%。
隨著傳輸速率的提高，光芯片在光模塊成本中的比例也越來(lái)越大，10Gbs 以下光模塊中光芯片占 比 30%，10Gbs-25Gbs 光模塊中占比 40%，而 25Gbs 以上光模塊中光芯片的占比則達(dá)到了 60%。
當(dāng)前新一輪以 AI為代表的科技革命正席卷全球，OpenAI開發(fā)的 ChatGPT使得 AIGC備受關(guān)注。而在AIGC商業(yè)化應(yīng)用加速落地的背景下，算力基礎(chǔ)設(shè)施的海量增長(zhǎng)和升級(jí)換代將成為必然趨勢(shì)。
光模塊現(xiàn)階段主要應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域，根據(jù)LightCounting 數(shù)據(jù)測(cè)算，2022 年全球光模塊市場(chǎng)規(guī)模同比增長(zhǎng) 14%，預(yù)計(jì) 2022-2027 年全球光模塊市場(chǎng) CAGR 為 10%，在 2027年超過(guò)200 億美元。
光芯片是光模塊的核心部件，根據(jù) LightCounting 數(shù)據(jù)測(cè)算，光芯片占光模塊市場(chǎng)比重從 2018 年約 15%的水平到 2025 以后超過(guò) 25%的水平，呈上升趨勢(shì)。光電子器件是光模塊的重要組成部 分，光芯片的成本占比分布在低端器件、中端器件、高端器件上的數(shù)據(jù)大約分別為 20%、50%、70%。隨著通訊、AI 等產(chǎn)業(yè)對(duì)高性能光模塊的需求快速增長(zhǎng)，光芯片將呈現(xiàn)量?jī)r(jià)齊升的增長(zhǎng)趨勢(shì)。
根據(jù) ICC 預(yù)測(cè)，2019-2024 年，中國(guó)光芯片廠商銷售規(guī)模占全球光芯片市場(chǎng)的比例將不斷提升。得益于光芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度的持續(xù)推進(jìn)，以及國(guó)內(nèi)未來(lái)幾年 5G 設(shè)備升級(jí)和相關(guān)應(yīng)用落地，大量數(shù)據(jù)中心設(shè)備更新和新數(shù)據(jù)中心也會(huì)持續(xù) 助力光芯片市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)，中國(guó)將成為全球增速最快的地區(qū)之一。
歐美技術(shù)領(lǐng)先，高端光芯片亟待國(guó)產(chǎn)化
光芯片是光通信產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)。光通信產(chǎn)業(yè)鏈中，組件可分為光無(wú)源組件和光有源組件。光無(wú) 源組件在系統(tǒng)中消耗一定能量，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳導(dǎo)、分流、阻擋、過(guò)濾等“交通”功能，主要包 括光隔離器、光分路器、光開關(guān)、光連接器、光背板等；光有源組件在系統(tǒng)中將光電信號(hào)相互轉(zhuǎn) 換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)墓δ埽饕ü獍l(fā)射組件、光接收組件、光調(diào)制器等。光芯片加工封裝為 光發(fā)射組件（TOSA）及光接收組件（ROSA），再將光收發(fā)組件、電芯片、結(jié)構(gòu)件等進(jìn)一步加 工成光模塊。光芯片的性能直接決定光模塊的傳輸速率，是光通信產(chǎn)業(yè)鏈的核心之一。
光芯片是光模塊成本中占比最大的部分。光模塊的成本由多種因素組成，包括光器件、電芯片、 PCB 和外殼等原材料。其中，光器件的成本占比最高，達(dá)到了 73%。在光器件中，光發(fā)射器件和 光接收器件的成本占光器件成本的 80%，而激光器和探測(cè)器中的核心光芯片占據(jù)了總成本的 85%。 隨著傳輸速率的提高，光芯片在光模塊成本中的比例也越來(lái)越大，10Gbs 以下光模塊中光芯片占 比 30%，10Gbs-25Gbs 光模塊中占比 40%，而 25Gbs 以上光模塊中光芯片的占比則達(dá)到了 60%。
光芯片發(fā)展與光通信和光模塊密不可分，行業(yè)正處于加速發(fā)展階段。光芯片是光通信和光模塊的 重要組成部分，隨著光通信行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的變化，光模塊和光芯片都在加速發(fā)展。光模 塊行業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，光子集成技術(shù)的產(chǎn)業(yè)體系初步形成，推動(dòng)了光芯片產(chǎn)業(yè)的高速 發(fā)展。光芯片在降低光纖損耗等方面發(fā)揮了重要作用，在新興領(lǐng)域方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
歐美國(guó)家光芯片技術(shù)領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)光芯片企業(yè)追趕較快，目前全球市場(chǎng)由美中日三國(guó)占據(jù)主導(dǎo)地位。 海外光芯片企業(yè)已形成產(chǎn)業(yè)閉環(huán)和高行業(yè)壁壘，可自主完成芯片設(shè)計(jì)、晶圓外延等關(guān)鍵工序，可 量產(chǎn) 25G 及以上速率的光芯片。部分中國(guó)光芯片企業(yè)已具備領(lǐng)先水平，隨著技術(shù)能力提升和市場(chǎng) 認(rèn)可度提高，競(jìng)爭(zhēng)力將進(jìn)一步增強(qiáng)。源杰科技構(gòu)建了 IDM 全流程自主可控業(yè)務(wù)體系，2020 年公 司 10G、25G 激光器芯片系列產(chǎn)品的出貨量在國(guó)內(nèi)均排名第一，2.5G 激光器芯片系列產(chǎn)品的出貨量排名領(lǐng)先。華工科技旗下華工正源擁有亞洲先進(jìn)的光模塊自動(dòng)化線體，具備全系列產(chǎn)品的垂直 整合以及快速批量交付能力，云嶺光電實(shí)現(xiàn) 25G 激光器芯片量產(chǎn)。長(zhǎng)光華芯在設(shè)計(jì)、量產(chǎn)高功率 半導(dǎo)體激光芯片基礎(chǔ)上，縱向延伸覆蓋下游器件、模塊及直接半導(dǎo)體激光器業(yè)務(wù)，橫向拓展 VCSEL 及光通信芯片。炬光科技業(yè)務(wù)覆蓋上游“產(chǎn)生光子”“調(diào)控光子”及中游汽車、泛半導(dǎo)體、 醫(yī)療健康領(lǐng)域，與多家業(yè)內(nèi)知名公司達(dá)成合作。聚飛光電參股德國(guó)硅光技術(shù)公司 Sicoya 布局高端 半導(dǎo)體領(lǐng)域，Sicoya 主營(yíng)硅光芯片、光電芯片、光電器件及光模塊。三安光電提供 VCSEL 芯片 及陣列、DFB 激光器、光電二極管等高速光學(xué)產(chǎn)品的代工業(yè)務(wù)。
各類光芯片國(guó)產(chǎn)替代率分化明顯，高端光芯片國(guó)產(chǎn)替代率仍較低。我國(guó)光芯片企業(yè)已基本掌握 2.5G 及以下速率光芯片的核心技術(shù)，根據(jù) ICC 預(yù)測(cè)，2021 年該速率國(guó)產(chǎn)光芯片占全球比重超過(guò) 90%；10G 光芯片方面，2021 年國(guó)產(chǎn)光芯片占全球比重約 60%，但不同光芯片的國(guó)產(chǎn)化情況存 在一定差異，部分 10G 光芯片產(chǎn)品性能要求較高、難度較大，如 10G VCSEL/EML 激光器芯片 等，國(guó)產(chǎn)化率不到 40%；25G 及以上光芯片方面，隨著 5G 建設(shè)推進(jìn)，我國(guó)光芯片廠商在應(yīng)用于 5G 基站前傳光模塊的 25G DFB 激光器芯片有所突破，數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)光模塊企業(yè)開始逐步使用國(guó) 產(chǎn)廠商的 25G DFB 激光器芯片，2021 年 25G 光芯片的國(guó)產(chǎn)化率約 20%，但 25G 以上光芯片的 國(guó)產(chǎn)化率仍較低，約為 5%，目前仍以海外光芯片廠商為主。
高速率光芯片前景廣闊
目前國(guó)內(nèi)低速率光芯片市場(chǎng)呈現(xiàn)高度競(jìng)爭(zhēng)的格局，已有30多家企業(yè)實(shí)現(xiàn)了10G及以下光芯片的銷售，市場(chǎng)價(jià)格戰(zhàn)激烈，頭部廠商有明顯規(guī)模優(yōu)勢(shì)和優(yōu)質(zhì)客戶資源優(yōu)勢(shì)，低速率芯片市場(chǎng)趨近飽和。在這樣的市場(chǎng)環(huán)境下，低速芯片價(jià)格每年下降15%-20%的趨勢(shì)，導(dǎo)致企業(yè)利潤(rùn)空間逐漸收縮，因此中小企業(yè)或初創(chuàng)企業(yè)難以存活。
而高速率光芯片市場(chǎng)來(lái)看，對(duì)外依存度較高。25G及以上速率屬于高速率光芯片，目前由歐美日領(lǐng)先企業(yè)占主導(dǎo)，Oclaro、Avago、NeoPhotonics等具備50G EML芯片能力，DFB和VCSEL激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達(dá)到50G，F(xiàn)inisar、AAOI、Oclaro具備50G PAM4 DML芯片的能力。國(guó)內(nèi)與海外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在一定差距?？紤]到當(dāng)前光芯片主要應(yīng)用場(chǎng)景包括光纖接入、4G/5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等，都處于速率升級(jí)、代際更迭的關(guān)鍵窗口期，在對(duì)高速傳輸需求不斷提升背景下，未來(lái)25G以上速率光模塊所使用的光芯片占比將逐漸擴(kuò)大，到2025年，整體市場(chǎng)空間將達(dá)43.40億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到21.40%。
目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)廠商的努力方向一個(gè)是在高速率光芯片領(lǐng)域借自身技術(shù)實(shí)力綁定優(yōu)質(zhì)客戶實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，另一個(gè)就是借助新品類的開發(fā)+下游大客戶的突破，打開遠(yuǎn)期成長(zhǎng)天花板。
