二、5G新應用帶動需求側(cè)景氣高企，供給側(cè)國內(nèi)廠商蓄勢待發(fā)，400G光模塊逐步成為數(shù)通市場主角

1、需求側(cè)：超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心建設進入400G時代，引領技術(shù)發(fā)展趨勢

全球數(shù)據(jù)中心建設呈現(xiàn)大型化和集約化特點，轉(zhuǎn)向更大規(guī)模發(fā)展。全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量呈現(xiàn)逐年下滑的趨勢，但機架數(shù)仍維持增長，預計到2020年全球數(shù)據(jù)中心約為42.2萬個，機架數(shù)量則達到498.5萬架，服務器將超過6200萬臺，每個數(shù)據(jù)中心的平均機架數(shù)呈明顯的上升趨勢，數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)向更大規(guī)模的趨勢發(fā)展。從2012年至今，數(shù)據(jù)中心開始進入整合、升級和云化的新階段，如美國數(shù)據(jù)中心從粗放式發(fā)展階段進入規(guī)模建設階段，發(fā)展模式將轉(zhuǎn)入以改建和擴建等利舊建設，2018年美國數(shù)據(jù)中心建設主要以改建和擴建為主，新建規(guī)模占比降低至20%。

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

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超大規(guī)模（Hyperscale）數(shù)據(jù)中心建設持續(xù)高景氣周期?！俺笠?guī)?！钡亩x各不相同，一般指擁有5萬-10萬服務器的數(shù)據(jù)中心，認為是擁有“幾十萬臺服務器，有時甚至是數(shù)百萬臺”。 2018年全球超大規(guī)模供應商運營的大型數(shù)據(jù)中心數(shù)量將達到430個，同比增長了11%，到2019第三季度已突破504個，目前還有151個超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心正在規(guī)劃或在建設當中，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設高景氣將有望持續(xù)。預計到2021年，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的服務器數(shù)量將占全部數(shù)據(jù)中心服務器總量的53%，流量占比將達到55%，成為市場主力。

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超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心作為新技術(shù)擔當，代表數(shù)據(jù)中心未來的發(fā)展方向。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的軟硬件設計、配置、能耗和管理運維等技術(shù)要求較高，通常需要綜合技術(shù)能力和資金實力較強的大型互聯(lián)網(wǎng)公司才有能力設計建設和運營，其技術(shù)預研的方向往往被認為是代表數(shù)據(jù)中心技術(shù)發(fā)展的方向。業(yè)界普遍認為谷歌、亞馬遜、微軟、Facebook、騰訊、百度以及阿里巴巴等可以被稱為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商。亞馬遜和微軟在過去的12個月內(nèi)開設了最多的新數(shù)據(jù)中心，合計超過總數(shù)的一半。緊隨其后的是谷歌和阿里巴巴。從地區(qū)上看，美國超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心數(shù)量占比始終是全球最大，但近年隨著中國、日本等地區(qū)數(shù)據(jù)中心建設熱潮的興起，占比逐漸下滑。

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數(shù)據(jù)中心東西流量遠超南北流量。一般的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部主要由服務器、交換機和路由器組成。其中服務器提供數(shù)據(jù)的存儲、計算、控制等功能，是數(shù)據(jù)中心的核心；交換機作為數(shù)據(jù)中心的骨干組成，搭建起數(shù)據(jù)中心內(nèi)外部的神經(jīng)中樞，通過連接服務器與服務器提供東西流量通道，連接服務器與路由器提供南北流量通道；路由器主要承擔數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的進出口流量的傳輸和控制。據(jù)Cisco預測，數(shù)據(jù)中心的所有數(shù)據(jù)流量中，東西流量占比將在2021年達到85%，南北流量僅占15%。其中數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)中心之間的流量占比將由2016年底的10%提升到將近14%，超過數(shù)據(jù)中心內(nèi)部（75.4%->71.5%）和數(shù)據(jù)中心到用戶流量（基本維持在14.5%）的增長，這主要是受CDN網(wǎng)絡、云服務和數(shù)據(jù)中心備份等應用場景的增加所致。

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2、需求側(cè)：400G交換生態(tài)圈已成熟，提振光模塊需求空間，加速市場爆發(fā)

交換機是數(shù)據(jù)中心里十分重要和關(guān)鍵的網(wǎng)絡設備，SDN催生白盒化模式。作為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸通道的骨干，交換機的容量和速率決定了數(shù)據(jù)中心可對外提供的能力。數(shù)據(jù)中心借助交換機協(xié)同內(nèi)部密集的服務器陣列進行整合，對外提供存儲和算力等服務。東西向是數(shù)據(jù)中心占比最多的流量應用場景，內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸通道的帶寬很大程度上決定了數(shù)據(jù)中心整體能力的表現(xiàn)。目前市場的交換機按軟硬件內(nèi)部設計界面劃分，可分為裸機交換機、白盒交換機和傳統(tǒng)商業(yè)交換機等，其中傳統(tǒng)商業(yè)交換機為傳統(tǒng)常見的模式，由設備商自行設計硬件并加載操作系統(tǒng)，提供功能通用的交換機，常見的制造企業(yè)包括思科、華為、Juniper等；裸機交換機則主要由制造商提供組裝好的硬件，由用戶自行加載操作系統(tǒng)，制造商通常為ODM廠家，如Accton，QuantaQCT等；白盒交換機則是近幾年興起并得到超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運營商青睞的交換機種類，在軟件定義網(wǎng)絡（SDN）出現(xiàn)以后，通過軟件控制器和直接流表轉(zhuǎn)發(fā)的白盒交換機就可以完成數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的部署，而且這種網(wǎng)絡部署快、成本低、便于維護，十分適合超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的批量建設。據(jù)CrehanResearch的統(tǒng)計，2018年亞馬遜、谷歌和Facebook對白盒交換機的購買規(guī)模已經(jīng)超過了其市場總規(guī)模的三分之二，雖然白盒交換機在數(shù)據(jù)中心交換的整體市場采用率在20％的范圍內(nèi)，但是亞馬遜，谷歌和Facebook傾向于更早采用這些設備以滿足對更新更快網(wǎng)絡速度的追求，白盒交換機將繼續(xù)增長。目前谷歌幾乎所有400GbE數(shù)據(jù)中心都是白盒級交換機驅(qū)動的。

3、硅光模塊，400G光模塊市場的攪局者還是賦能者？

硅光技術(shù)有效提高光模塊集成度，更適用未來高速光模塊生產(chǎn)。硅光技術(shù)主要是基于CMOS工藝，在同一硅基襯底上利用蝕刻的方法，同時制作光子器件和電子器件，實現(xiàn)光信號處理和電信號處理的深度融合，形成一個具有綜合功能的完整大規(guī)模集成芯片。傳統(tǒng)光模塊采用分立式結(jié)構(gòu)，光器件部件多，封裝工序復雜且需要較多人工成本。相對傳統(tǒng)的分立式器件，硅光模塊將多路激光器，調(diào)制器和多路探測器等光/電芯片都集成在硅光芯片上，體積大幅減小，有效降低材料成本、芯片成本、封裝成本，同時也能有效控制功耗。硅光芯片內(nèi)的功能部件主要通過光子介質(zhì)傳輸信息，連接速度更快，因此更適合數(shù)據(jù)中心和中長距離相干通信等應用場景。其中在400G光模塊領域，由于單通道光芯片速率瓶頸問題，多通道的PAM4電調(diào)制方案不可或缺，而電調(diào)制帶來的損耗較大，要求傳統(tǒng)方案光模塊內(nèi)部激光器、調(diào)制器、DRIVER、MUX等器件更加緊湊，激光器芯片處于裸露狀態(tài)，受環(huán)境損耗的可能性大幅度提升。另外通道數(shù)的增加導致器件數(shù)量增加，器件集成復雜度和工作溫度提升帶來的溫漂問題都具備較大挑戰(zhàn)性。硅光方案通過高度集成能很好解決以上問題。

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硅光技術(shù)逐漸成熟，400G硅光模塊已具備商用條件。關(guān)于硅芯片上的光源主要有兩種主流的方案，通過外置激光器導入光源（Luxtera）和通過激光器粘合在硅芯片上（Intel），兩種方案均已有成熟商用產(chǎn)品。其中在400G光模塊場景中，Intel在成功推出100G光模塊的基礎上，繼續(xù)使用在硅晶圓上粘合InP光源的方式推出了400GQSFP-DDDR4光模塊。業(yè)界認為DR4將是400G硅光模塊的基礎形態(tài)，既可以實現(xiàn)1分4的Breakout組網(wǎng)，實現(xiàn)與已有的100GDR1/FR1對傳，又可替代接入側(cè)短距離多模400G光模塊的互聯(lián)，具備端到端成本競爭力。此外在單纖傳輸?shù)膬?yōu)勢下，與多波長光源封裝即可輕易切換為WDM模塊形態(tài)。

硅光模塊市場規(guī)?？焖倥榔?。硅光模塊市場仍處于爬坡階段，但市場空間增長速度較快，硅光模塊在2018年-2024年間的復合年增長率將達到44.5%，有望從2018年的4.55億美元增長到2024年的40億美元，屆時有望占整體市場規(guī)模21%，較2018年增加約10個百分點。硅光模塊的市場主要集中在相干通信和DCI應用場景。

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相干光通信及數(shù)通400G模塊有望成硅光最佳市場切入點。目前硅光模塊市場的競爭者主要集中在Luxtera和Intel之間，兩者均已推出應用于DCI市場的100GPSM4產(chǎn)品，另外Intel還有100GCWDM4產(chǎn)品，另外Acacia也占據(jù)一定的份額，主要在相干通信領域。Luxtera和Acacia已先后被Cisco收購，表明Cisco對硅光模塊市場的信心。目前已商用的100G硅光模塊無論在良率還是成本控制方面與傳統(tǒng)分離式方案相比還不存在競爭優(yōu)勢，因此硅光技術(shù)的市場沖擊還不明顯。未來隨著數(shù)據(jù)流量的快速增長，電信骨干網(wǎng)城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心間DCI鏈接由于更長距離和更大容量的傳輸需求進入相干光通信時代；數(shù)據(jù)中心內(nèi)部也進入400G時代。硅光技術(shù)在相干光通信和400G模塊中具有顯著的技術(shù)和成本優(yōu)勢。相干光模塊需要使用更多的電子器件實現(xiàn)相干調(diào)制功能，硅光技術(shù)可有效實現(xiàn)電芯片的高度集成；400G光模塊需要對多路光通道進行更高速率的PAM4調(diào)制，硅光技術(shù)高度集成調(diào)制器，同時可使用單一光源實現(xiàn)4路信號的調(diào)制和傳輸，更具成本優(yōu)勢。相干光通信和400G光模塊（如短距離DR4）有望成為硅光技術(shù)的最佳市場切入點。

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硅光技術(shù)發(fā)展迅速，寡頭市場或迎來更多競爭者。未來隨著技術(shù)的不斷推進，將有越來越多的競爭者加入，如阿里已發(fā)布基于硅光技術(shù)的400GDR4光模塊，與Elenion和海信寬帶的深入合作及聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，預計2020年下半年將在阿里全球數(shù)據(jù)中心投入使用；博創(chuàng)科技推出了高性價比的400GQSFP-DD數(shù)據(jù)通信硅光模塊解決方案DR4(500m)和DR4+(2km)；亨通光電與英國洛克利硅光子公司合作開發(fā)400G硅光子片及光子收發(fā)器技術(shù)，并已發(fā)布采用此硅光技術(shù)的400GQSFP-DDDR4模塊。未來的硅光市場有望呈現(xiàn)兩超（Intel和Cisco）多強的競爭格局。

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硅光產(chǎn)業(yè)鏈布局完整，F(xiàn)abless模式有望進一步推動硅光模塊成熟商用。硅光應用經(jīng)過多年的發(fā)展，充分利用已有產(chǎn)業(yè)資源，形成自己特有的成熟產(chǎn)業(yè)鏈。與半導體產(chǎn)業(yè)鏈類似，硅光產(chǎn)業(yè)鏈涉及有上游的SOI、晶圓材料生產(chǎn)，硅芯片設計和生產(chǎn)，光模塊的封裝生產(chǎn)，中游的光模塊封裝生產(chǎn)以及下游設備和互聯(lián)網(wǎng)和電信運營商等最終客戶。其中硅光芯片的產(chǎn)業(yè)格局也與半導體類似，存在有IDM和Fabless兩種模式，其中前者的代表為Intel；Fabless的模式如Luxtera與臺積電合作生產(chǎn)硅光芯片。Fabless產(chǎn)業(yè)模式的成熟將會催生更多的硅光設計公司，有望進一步推動硅光技術(shù)的發(fā)展和硅光模塊的成熟商用。

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硅光模塊優(yōu)勢與劣勢明顯，短期難完全取代傳統(tǒng)光模塊，或在細分領域彰顯特點。硅光模塊基于大規(guī)模CMOS集成生產(chǎn)，優(yōu)勢十分明顯，包括低能耗、低成本、帶寬大、傳輸速率高等。但同時由于硅光芯片在材料和生產(chǎn)技術(shù)方面的復雜，還存在著明顯的劣勢：1)良率不高導致生產(chǎn)成本高，同時傳統(tǒng)分立方案成本在持續(xù)優(yōu)化，硅光模塊成本優(yōu)勢尚不明顯；2)硅波導與光纖的耦合效率低導致?lián)p耗較大，不利于長距離應用；3)硅光芯片集成的合分波器件存在溫漂問題，所以目前成熟常用的400G硅光模塊主要以DR4為主，限制了硅光技術(shù)應用場景。光模塊作為連接網(wǎng)絡的關(guān)鍵部件，產(chǎn)業(yè)鏈下游客戶更關(guān)心的是實現(xiàn)同等傳輸性能技術(shù)上的綜合成本，對內(nèi)部實現(xiàn)的技術(shù)并不敏感。我們認為在短期硅光模塊難以完全取代傳統(tǒng)光模塊，下游客戶仍需要較長的時間去認證和認可，但可能會在某些細分領域會發(fā)揮其成本、能耗和速率等優(yōu)勢率先取得突破，并逐漸取得相應的市場份額，如在數(shù)據(jù)中心領域已實現(xiàn)商用的100GPSM4和CWDM4，以及未來的400GDR4。傳統(tǒng)分立光模塊與硅光模塊將會長期共存。