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多场景应用 光芯片市场规模持续增长

日期:2018/11/9 9:15:40
摘要:多场景应用 光芯片市场规模持续增长
关键词:多场景应用 光芯片市场规模持续增长

从光器件产业链看,主要环节为"光芯片、光器件、光模块、光设备",最终应用于电信市场、数据中心市场及消费电子市场。其中,光芯片处于产业链的核心位置,具有高技术壁垒,占据了产业链的价值制高点。

  光芯片主要用于光电信号转换,遵循"Chip–OSA–Transceiver"的封装顺序,激光器芯片(Chip)通过传统的TO封装或新兴的多模COB封装形式制成光模块(Transceiver)。在光通信系统中,常用的核心光芯片主要包括DFB、EML、VCSEL三种类型,分别应用于不同传输距离和成本敏感度的应用场景。

  光芯片属于技术密集型行业,具有极高的技术壁垒和复杂的工艺流程。因此,光芯片在光器件/光模块中成本占比较大。此外,随着芯片速率的提升,制备难度增大,成本占比或进一步提升。一般情况下,对于低速率光模块/光器件(转换速率小于10Gbps),光芯片的成本占比约为30%左右;而对于高速光模块/光器件(调制速率大于25Gbps),芯片的成本占比约为60%左右。例如,全球数通光模块龙头中际旭创(公司主力产品为100G QSFP28,采用25G光芯片),整体光芯片及组件成本占比在50%左右。相较于电芯片,目前光芯片市场规模较小,分工程度有限,垂直一体化的IDM厂商市场份额超过50%。但伴随VCSEL芯片的消费电子市场打开,芯片市场规模加速扩展,分工程度有望提升,第三方代工模式逐渐兴起。

  规模:为什么市场规模加速增长且"一望无际"?

  伴随流量加速爆发,光芯片市场规模加速增长:(1)电信市场:传输网扩容正当时,接入网逐步向10G PON升级,5G基站大规模建设或带来超20亿美元光芯片市场空间,为4G时代2.8倍。(2)数据中心市场:数据中心市场需求持续井喷。(3)消费电子市场:VCSEL芯片切入消费电子市场,市场空间拓展10-100倍。随着硅光集成度提升带来价值占比提升,未来成长空间"一望无际"。

  1 光芯片市场规模有望持续高增长

  从细分市场看,光芯片主要应用于电信市场、数据中心市场、以及消费电子市场。其中,电信市场主要应用于传输网、接入网以及无线基站,市场份额占比约60%左右;数据中心市场主要应用于数据中心内部互联、连接数据中心间的DCI网络,市场份额占比约30%左右;消费电子市场主要包括手机3D 感应系统(内含VCSEL芯片),市场份额占比约10%左右。对于三大细分市场的发展趋势,我们的判断是:电信市场近期保持稳定,有望迎来5G高增长机遇,数据中心市场将快速增长,消费电子市场规模有望呈爆发式增长。三大细分市场共同驱动光芯片市场空间持续拓展。

  根据ICCSZ统计,在不考虑消费电子VCSEL激光市场规模的情况下,2015年中国光器件市场规模为16.2亿美元,到2020年有望达到26.8亿美元,增长65.4%。若考虑消费电子VCSEL激光器,国内光芯片市场从2018年开始将加速拓展。预计光芯片在光器件的成本占比为50%,2015—2020年间国内光芯片市场规模有望从2015年的8.1亿美元增长到2020年的21.4亿美元,年均复合增长率高达21.4%。

2 电信市场:近期保持稳定,有望迎5G高增长机遇

  从电信市场看:有线方面,传输网扩容愈加紧迫,城域网100G逐渐下沉;接入网由GPON/EPON向10G PON升级。无线基站方面,目前正处于4G建设后期,需求相对疲软。随着5G基站大规模建设逐渐开启,有望迎来5G高增长机遇。

  2.1传输网扩容正当时,DFB/EML芯片需求稳步增长

  随着流量持续增长,网络升级将遵循:骨干网→城域网→ 接入网→ 骨干网的循环过程,对高速光芯片形成持续而稳定的需求。

  国内骨干网100G升级自2013年开始大规模进行,城域网将逐步提升100G的渗透率。自2017年8月份以来,三大运营商先后落实资金开启传输网100G设备端口集采,同比去年有较大幅度的提升。我们认为,5G建设传输先行,随着传输网扩容的持续推进,对DFB/EML芯片的需求有望持续提升。

  2.2接入网向10G PON升级,DFB芯片需求有望提升

  接入网用于连接传输网与终端,传输距离较短。目前,点到多点(P2MP)的光纤接入方式PON(passiveoptical network)是我国运营商采用的光纤接入方式,多采用EPON或GPON。随着4K/8K视频、VR/AR等技术的发展,EPON和GPON已逐渐无法适应用户对带宽的需求。为实现网路的平滑升级,PON的升级将成为关键因素,EPON和GPON有望向10G PON技术升级。

  考虑到成本,在GPON/ EPON方面,国内大多采用FP激光器。在10G PON时代,需要采用DFB激光器。目前,国内具备自主生产DFB光芯片的企业较少,大量依赖于国外进口。随着接入网升级的全面展开,具备10G DFB芯片量产能力的光器件厂商有望充分受益于行业需求红利。

  2.3无线基站近两年需求放缓,5G时代芯片需求有望大幅回暖

  自2015年起,4G基站建设整体进入中后期,近两年需求有所下滑。2020年,5G规模商用开启,有望再次拉动对光模块的需求,市场空间超45亿美元,按照芯片成本占比50%估算,市场空间超20亿美元。据测算,5G基站光芯片市场规模约为4G基站2.8倍左右。与4G基站光模块市场相比,5G基站的建设对光芯片的需求将持续提升:(1)从基站数量看:由于5G频谱频率上升,信号穿透建筑物的衰减较大,建站密度与4G基站相比将更高。预计未来6年内(2019—2024)有望建设581.4万个5G基站,密度是4G基站数的1.36倍。(2)从单基站光模块数看:5G基站架构从4G的前传-回传演进到前传—中传—回传,单个基站需要的光模块数有望达8—10个,较4G基站有所增加。

  芯片方面,5G基站前传至少为25G QSFP 28,主要采用DBF/EML芯片。中传回传有望采用10G SFP+光模块,主要采用DBF/EML芯片。目前正处于4G基站与5G基站建设交替期,需求阶段性放缓。而随着5G商用将至,对于光芯片的需求将大幅提升,相关光芯片厂商有望迎接5G时代的高增长机遇。

 3 数据中心市场规模有望快速增长

  随着大数据时代的来临,数据中心建设在全球范围内兴起。2017年全球数据中心数量达到840万座,其中美国占据全球近一半的数据中心,成为过去几年数据中心市场增长的主要驱动力。2012—2017年,全球IDC市场规模的复合增长率为15.94%;同期,中国IDC市场规模的复合增长率高达35.02%,高于全球增速19.08个百分点。

  2017年,中国IDC市场规模达946.1亿元,2018年有望超过1200亿元。我们认为,数据中心市场规模及其营收占比持续提升,将接力电信市场,成为未来五年驱动光器件行业规模扩张的重要动力。

  在光器件市场中,数据中心市场占整个光器件市场的近1/3。根据Lightcounting预测,2019年数据中心光模块销量有望超过5000万个,市场规模有望从2014年的16亿美元增加2021年的49亿美元。从应用场景看,光芯片在数据中心主要可以分为两类:数据中心内部互联(主要采用VCSEL芯片)以及DCI网络(主要采用DFB/EML芯片)。

  3.1 数据中心内部市场的发展有望提升VCSEL/DFB芯片的需求

  数据中心内部连接距离相对短,以850nm的VCSEL和1310nm的DFB芯片为主。其中,100GAOC和100G SR4主要以VCSEL芯片为主,100G PSM4和100G CWDM4主要以DFB芯片为主。

  随着数据中心承载的功能逐渐增加,数据中心内部传统的三层网络架构(接入层、中层的汇聚层)逐渐难以适应内部流量集中的趋势,带宽压力持续增大,新型分布式数据中心叶脊式网络架构兴起。叶脊拓扑网络是两层结构,包括脊交换机和叶交换机,数据中心与外部的连接可以通过(边缘)脊交换机或(边缘)叶交换机实现。在该结构下,每台脊交换机与每台叶交换机之间都要进行连接。与传统网络层相比,叶脊网络扩大了接入层、汇聚层与主机之间的连接数。因此,在数据传输的效率得到提升的同时,对于光模块的需求也大大增加。

  2020年光芯片市场空间测算:核心假设:1、新架构为1:1收敛比的二层脊叶型数据中心;2、数据中心使用10G和100G两种端口;3、单台叶交换机下连两个机柜共20台服务器,单台脊交换机下连10台叶交换机。在此假设下,100万服务器的数据中心需要200万/20*40=400万个10G光模块,200万/20/10*40=40万个100G光模块。根据Ovum,到2020年全球新增100个数据中心(100万台服务器),则市场空间高达120亿美元。我们假设VCSEL芯片在光模块中的成本占比约35%,则2020年VCSEL芯片在数据中心内部的市场规模约为42亿美元。

  3.2 数据中心互联(DCI网络)市场规模发展将带来DFB/EML芯片需求

  流量爆发引起网络结构变化,驱动数据中心互联(DCI)市场呈高速发展趋势。目前,由于不同地区数据中心之间的信息需要通过电信骨干网相连,因此传输时延和传输成本无形之中大大增加。随着数据中心流量的爆发,骨干网的带宽成为限制数据互访流量爆发的瓶颈。在此背景下,DCI网络在不同地区的数据中心之间重新建立新的传输通道,将极大地提升数据中心之间的传输效率,同时减少骨干网的传输压力。DCI网络需要满足两点:(1)要求网络架构采用DC间一跳直达的全互联、扁平化网络,满足低时延要求。(2)要求网络架构具备高密度100GE端口,及面向1T、2T的平台平滑演进能力。

  DCI网络主要采用WDM系统(包括CWDM和DWDM),按距离可分为同一城市内互联和城市间互联。前者对应的传输距离一般在40公里以内,主要用到DFB芯片;后者对应的传输距离一般在为几百公里,主要用到EML芯片。随着DCI网络建设的逐步推进,对于高速光芯片的需求有望快速增长。根据Ovum测算,2014年全球DCI市场规模约25亿美元,2019年有望达到42亿美元。我们假设DCI网络建设中,光芯片在光模块中的成本占比为50%,DCI网络的光芯片市场规模有望从2014年的12.5亿美元增长到2019年的21亿美元。