元宇宙時(shí)代催生共封裝光學(xué)元件：中國廠商機(jī)會(huì)顯現(xiàn)

8月29日，字節(jié)跳動(dòng)15億美元買了個(gè)頭盔公司Pico，是為張一鳴的一小步，卻是中國VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）行業(yè)的一大步。君不見，如今VR頭盔、VR找房、VR看房、VR會(huì)議等場景應(yīng)用不斷推出。

8月31日以“5G深耕，共融共生”為主題的2021世界5G大會(huì)開幕，預(yù)示著從消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)到產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都將迎來線上線下一體化的元宇宙（Metaverse）時(shí)代。

從數(shù)據(jù)傳輸角度看，要實(shí)現(xiàn)大量變化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，需要的數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡(luò)帶寬是普通視頻需求的幾十倍。

Yole剛剛發(fā)布的《數(shù)據(jù)通信與電信市場2021光纖收發(fā)器報(bào)告》解讀了光纖通信的全球市場格局，并對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行了分析，還給出了數(shù)據(jù)通信和電信中光收發(fā)器2017年至2026年的市場預(yù)測。

AR/VR終端成為元宇宙第一入口

從全球市場看，5G商用勢如破竹，隨著市場對(duì)元宇宙的理解逐漸加深，它將成為全新的泛娛樂模式，其特有的沉浸、實(shí)時(shí)、多元的特色模式會(huì)更受到市場的歡迎與肯定。

從硬件技術(shù)層面看，普通手機(jī)端和PC都無法很好完成元宇宙所需的擬真與沉浸任務(wù)。因此VR/AR技術(shù)擁有的3D顯示、高分辨率水準(zhǔn)、大視場角設(shè)備將進(jìn)一步提升直觀體感交互，是目前最佳的現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的接口。

在5G、云計(jì)算等技術(shù)的支撐下，AR / VR終端是元宇宙的第一入口。5G商用時(shí)代不僅增強(qiáng)了現(xiàn)有的虛擬體驗(yàn)，還將拓展出全新的應(yīng)用場景。VR應(yīng)用的游戲、觀影、直播等強(qiáng)勢需求正在加速賦能下游各行業(yè)。

IDC統(tǒng)計(jì)表明，2020年全球虛擬顯示終端出貨量約為630萬臺(tái)，VR終端出貨量占90%，預(yù)計(jì)2023年AR終端出貨量有望超越VR，在2024年超7500萬臺(tái)終端出貨量中AR占比將升至55%。

在新冠疫情及宏觀經(jīng)濟(jì)形勢下，全球虛擬顯示市場規(guī)模接近千億，AR與內(nèi)容應(yīng)用成為首要增長點(diǎn)。隨著5G、云計(jì)算、VR/AR等技術(shù)的快速發(fā)展，從消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)到產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景也已打開。元宇宙正加速演化為可以映射現(xiàn)實(shí)世界、又獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬空間，現(xiàn)實(shí)中的人可以使用數(shù)字身份在元宇宙中娛樂、社交、學(xué)習(xí)和工作等，完全打破生活和游戲的邊界。

英偉達(dá)CEO黃仁勛也說，云游戲、元宇宙及數(shù)據(jù)中心等業(yè)務(wù)的巨大潛力有待開發(fā)，而據(jù)中心規(guī)模的計(jì)算時(shí)代已經(jīng)到來。

數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)帶寬容量的需求巨大；許多超大型和云數(shù)據(jù)中心預(yù)計(jì)在未來幾年將采用100G的服務(wù)器端口速度。這些更高的服務(wù)器速度可以由2芯或8芯并行光收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)40G、100G、200G和400G通道速率。

網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)需求有增無減

Yole固態(tài)照明技術(shù)與市場分析師Martin Vallo博士表示：“在過去50年中，移動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新每十年都會(huì)推出一次。移動(dòng)帶寬需求已經(jīng)從語音通話和短信發(fā)展到超高清視頻和各種AR/VR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）應(yīng)用。盡管新冠疫情疾病對(duì)電信基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)鏈的影響深遠(yuǎn)，但全球范圍內(nèi)的消費(fèi)者和企業(yè)用戶仍在不斷地創(chuàng)造新的網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)需求。社交網(wǎng)絡(luò)、商務(wù)會(huì)議、UHD視頻流、電子商務(wù)和游戲?qū)⑼苿?dòng)應(yīng)用的持續(xù)增長”。

現(xiàn)在，平均每戶和人均連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量正在增加。隨著具有更高功能和智能的新型數(shù)字設(shè)備的出現(xiàn)，分析師們觀察到，這些設(shè)備每年的采用率都在提高。機(jī)器對(duì)機(jī)器應(yīng)用的擴(kuò)展，如智能儀表、視頻監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)控、連接驅(qū)動(dòng)器和自動(dòng)化物流，在很大程度上促進(jìn)了設(shè)備和連接的增長，并推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)展。

從光收發(fā)器市場對(duì)比可以看出，2020年光收發(fā)器市場產(chǎn)生的收入達(dá)到約96億美元，預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到209億美元，2020-2026年復(fù)合年增長率為14%。這一增長是由大型云服務(wù)運(yùn)營商和國家電信運(yùn)營商大量采用100G以上的高數(shù)據(jù)速率模塊推動(dòng)的，為的是增加光纖網(wǎng)絡(luò)容量。

2020-2026年光收發(fā)器市場增長預(yù)期

新技術(shù)為共封裝光學(xué)元件鋪平道路

多種技術(shù)正在推升數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施以及長途和地鐵網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率向400G、600G、800G甚至更高發(fā)展。

400GbE部署正在跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)，后面還有800GbE、1TbE、1.6TbE……。許多云提供商和電信運(yùn)營商現(xiàn)在都在尋找800Gbps的光纖生態(tài)系統(tǒng)，以增加帶寬容量，以跟上不斷增長的數(shù)據(jù)需求。800G光學(xué)模塊可以支持更多配置，例如2x 400GbE、4x 200GbE或8x 100GbE。

今天的以太網(wǎng)交換機(jī)專用集成電路（ASIC）以50G PAM-4調(diào)制技術(shù)驅(qū)動(dòng)的50Gbps通道速率運(yùn)行。在線卡中，通常需要重定時(shí)器將PAM-4數(shù)據(jù)從交換機(jī)同步到光接口。在400G光學(xué)模塊中，額外的硅Gearbox芯片可用于將50G PAM-4電氣輸入和輸出（I/O）轉(zhuǎn)換為每波長光學(xué)I/O 100G，以便連接到100G光學(xué)模塊。根據(jù)應(yīng)用和傳輸情況，400G可提供各種光學(xué)接口，包括400G SR4、400G DR4、400G FR4和400G LR4。

Yole預(yù)計(jì)，800G模塊將得到高度普及，因?yàn)槠淅昧?00GbE系統(tǒng)中已經(jīng)證明的100G單波長光學(xué)元件，因此可以在QSFPDD（雙密度四通道小型可插拔封裝）和QSFP（四通道小型可插拔）尺寸中實(shí)現(xiàn)技術(shù)和成本效益。

就所需的電密度、光密度和熱而言，當(dāng)前的尺寸能力將受到限制，無法支持超過800G的容量。功耗是另一個(gè)挑戰(zhàn)，其最大的貢獻(xiàn)者是開關(guān)ASIC和光學(xué)模塊之間的電氣接口，尤其是QSFPDD和QSFP。由于采用分立電子器件實(shí)現(xiàn)，功耗和熱管理正成為未來可插拔光學(xué)元件的限制因素。

共封裝（CPO）光學(xué)技術(shù)是一種將光學(xué)元件和開關(guān)ASIC緊密結(jié)合在一起的新方法，旨在克服上述挑戰(zhàn)。此外，CPO技術(shù)被認(rèn)為是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的一種新部署模式，是可插拔光學(xué)元件的替代品。

光學(xué)元件和開關(guān)ASIC的集成演進(jìn)

光收發(fā)器趕上美國，中國有戲嗎？

全球光收發(fā)行業(yè)受到中美關(guān)系惡化的影響很大。美國政府的技術(shù)貿(mào)易戰(zhàn)禁售了中興通訊和華為，以限制中國對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的影響。對(duì)于許多激光和光電子公司來說，中國代表著最大的市場和增長機(jī)會(huì)之一。

隨著中美關(guān)系的緊張升級(jí)，中國希望通過確保安全可控的技術(shù)來保持經(jīng)濟(jì)增長，建立自給自足的國內(nèi)技術(shù)部門以抵消供應(yīng)鏈?zhǔn)艿降挠绊?。美國公司在中國的銷售受到了極大影響，美國光子公司的收入損失將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國同行。

近年來，美國與中國光收發(fā)器市場變化明顯。過去三年，美國的光收發(fā)器行業(yè)僅增長了1%，而在中國增長了24%。中國數(shù)字通信運(yùn)營商大量投資于本地光學(xué)產(chǎn)品，導(dǎo)致中國收發(fā)器市場的急劇增長。中國希望通過確保安全可控的技術(shù)供應(yīng)鏈建立自給自足的國內(nèi)技術(shù)部門，來保持其經(jīng)濟(jì)增長。

美國vs中國光收發(fā)器市場

美國光學(xué)和電子元件設(shè)計(jì)師和制造商廠商的價(jià)值在于強(qiáng)大的專利組合和標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)導(dǎo)者，加上代工廠和材料平臺(tái)，涵蓋用于汽車的激光雷達(dá)、消費(fèi)3D傳感等；中國廠商的價(jià)值是大批量部署，以成本動(dòng)因推進(jìn)大量國內(nèi)需求，主要集中在數(shù)據(jù)通信和電信市場。

由于其在制造業(yè)中的價(jià)值，中國在全球產(chǎn)業(yè)鏈中也發(fā)揮著不可替代的作用。事實(shí)上，我們很難將制造鏈分解為可能帶來國家安全問題的高端設(shè)備和仍然允許知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享和合資的低端設(shè)備。然而，如果美國征收新的關(guān)稅，這種脫鉤可能會(huì)發(fā)生，并將對(duì)整個(gè)光通信供應(yīng)鏈產(chǎn)生不利影響。

2020年光收發(fā)器市場份額

光收發(fā)器產(chǎn)業(yè)格局有變

中國玩家的強(qiáng)勁增長——特別是InnoLight（旭創(chuàng)科技）。該公司成立于2008年，短短十余年內(nèi)實(shí)現(xiàn)年度銷售逾50億元人民幣，成為國內(nèi)光通信龍頭企業(yè)，進(jìn)軍世界一流之列。2021年4月，思博倫通信與旭創(chuàng)科技成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)800G光收發(fā)器的互操作性驗(yàn)證，這對(duì)于下一代高速以太網(wǎng)的演進(jìn)至關(guān)重要，標(biāo)志著向800G以太網(wǎng)的實(shí)施又邁進(jìn)了一大步。2018年11月，II-VI與Finisar并，全球光電子巨頭橫空出世；2018年底，Lumentum收購Oclaro后，全球排名恢復(fù)第二位；2019年12月；博通收購Avago Technologies出售給富士康的光收發(fā)器資產(chǎn)。

2021年6月，華為也加入了競爭，將在武漢建立其第一家晶圓廠，預(yù)計(jì)從2022年開始分階段投產(chǎn)InP（磷化銦）激光器，實(shí)現(xiàn)光通信芯片和模塊的自給自足。

數(shù)據(jù)通信InP平臺(tái)供應(yīng)鏈

中國數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)施的加速部署，特別是數(shù)據(jù)通信和電信400G/800G的趨勢，正在推動(dòng)光學(xué)領(lǐng)域的增長。

新冠疫情變數(shù)未變

如上所述，雖然新冠疫情的流行是全球經(jīng)濟(jì)衰退的重要誘發(fā)因素之一，為全球經(jīng)濟(jì)蒙上了不確定性的陰影，但新冠疫情并沒有讓AR/VR止步，反而是一種推動(dòng)。經(jīng)濟(jì)衰退與供應(yīng)鏈上產(chǎn)品的消費(fèi)率或使用率下降有關(guān)，光通信、半導(dǎo)體和其他市場都有負(fù)面影響。不過疫情引發(fā)的新行為驅(qū)動(dòng)了新的帶寬需求，特別是用于數(shù)據(jù)通信和電信市場的光收發(fā)器。

新冠疫情帶來的數(shù)據(jù)流量爆炸

從光纖通信應(yīng)用看，宏觀趨勢是全球網(wǎng)絡(luò)IP流量增長，主要是每戶和人均設(shè)備和連接的平均數(shù)量加速增長。每年市場上都會(huì)引入和采用各種具有更高功能和智能的新設(shè)備，因此，人均設(shè)備和連接的平均數(shù)量將從2018年的2.4增加到2023年的3.6。

光纖通信應(yīng)用趨勢

光纖通信應(yīng)用趨勢的驅(qū)動(dòng)因素是全球流量的增長，主要是高分辨率視頻流服務(wù)。以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用、全球互聯(lián)網(wǎng)視頻流量、新興應(yīng)用、當(dāng)前和未來的視頻數(shù)據(jù)速率，其中許多都與AR/VR應(yīng)用相關(guān)。

光纖通信市場趨勢

幾個(gè)技術(shù)趨勢

從光收發(fā)器技術(shù)趨勢看，首先是100G及以上OTN（光傳送網(wǎng)）PMD（物理介質(zhì)相關(guān)子層）在向更高通道速率不斷演變。

通道速率的演變

技術(shù)與趨勢之二是在按應(yīng)用、數(shù)據(jù)速率、范圍映射的尺寸方面，不同光學(xué)模塊有不同的用例；不同的尺寸和數(shù)據(jù)速率可在其他應(yīng)用中使用。例如各種不同形式的100G光收發(fā)器可以用在不同類型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

技術(shù)與趨勢之三是從FPP（面板可插拔）到光電共封裝器件的演變，以及PCBA（印刷電路板組件）上帶有可插拔ELS（外部激光源）模塊的光電共封裝器件的演變，標(biāo)準(zhǔn)組織不打算為ELS模塊定義固定的尺寸。

共封裝光模塊的演變

技術(shù)與趨勢之四，數(shù)據(jù)通信在向更高速度遷移的現(xiàn)狀。由于帶寬需求持續(xù)大幅增加，數(shù)據(jù)中心連接預(yù)計(jì)將從25G/100G轉(zhuǎn)向100G/400G。用于光通信技術(shù)的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的快速發(fā)展正在縮短數(shù)據(jù)中心中使用的單模和多模光學(xué)元件的生命周期。

數(shù)據(jù)通信速度的演變

當(dāng)前，光收發(fā)器的關(guān)鍵器件是100G QSFP28 CWDM（粗波分復(fù)用），主要激光二極管是EEL（邊發(fā)射器）和VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。不同的激光二極管技術(shù)傳輸距離和傳輸速度不同。

迎接共封裝時(shí)代

光芯片和電芯片的共封裝已成為下一代技術(shù)的重點(diǎn)研究方向，正在推動(dòng)可插拔光模塊轉(zhuǎn)向共封裝技術(shù)。不過，不同封裝形式各有所長，從2.5D到3D共封裝封裝，集成度越來越高，挑戰(zhàn)在于功耗和互連性能，需要在硅光技術(shù)、封裝技術(shù)、散熱技術(shù)等方面的協(xié)同發(fā)展實(shí)現(xiàn)最佳的應(yīng)用效果。相信精彩還在后面。