未来数据中心流量、硅光子技术竞争格局及市场空间预测

　　一、数据流量以极快速度增长

　　1、 全球流量以爆发式速度增长

　　全球流量正在以极快的速度发展，以国内为例，三大运营商骨干网从 2009 年以前的 10G 带宽技术、2010 年推广 40G 带宽技术、2012 年实施 100G 骨干波分技术、2015 年测试 400G 技术，宽带增速以倍数级增长。

　　未来，随着 5G 铺开，视频业务、物联网、VR、AR 等应用会在未来逐渐落地，流量增长 将持续上演，思科的数据显示，到 2020 年，固 网和移动数据流量将达目前的 2 倍和 5 倍。

全球 IP 流量（Petabytes/月，2015-2020 年）

数据来源：公开资料整理

　　2、未来数据中心内部网络通信将占据全部流量 70%以上

　　固网传输领域，全球已经经历了光纤替代铜线电传输数据的浪潮，解决了长途传输过程 中的网络建设问题。云计算、大数据时代的到来，全球企业快速将业务重心转移到云平 台架构，数据中心流量快速提升。

　　根据 Cisco 预计，到 2019 年，全球通信网络流量的 99%和数据中心相关，其中数据中心 内部的网络流量占全部流量的 70%以上。2008 年美国互联网公司数据中心对光纤通信的 需求已经超过了电信运营商。LightCounting 测算 2015 上半年互联网索引公司对服务器、 数据中心网络设备和其他财产和设备的总投资是 190 亿美元。

2019 年全球通信网络流量 99%和数据中心相关

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　　2020 年数据中心流量将达到目前的 5 倍

　　IDC 预测显示，全球数据中心数量将在 2017 年达到 860 万（目前约 400-500 万），其中大 型数据中心（产量超过 9000 架的空间或有超过 225000 平方英尺的计算空间）的占比将 超过 70%，数据中心数量大幅增加。

　　流量方面，思科的数据显示，到 2020 年，全球进行云计算的数据总流量将达到网络数据 总流量的 92%，数据中心的数据流量将达到 14.1 ZB，是 2015 年的 5 倍，这对数据中心 内部的信息传输和处理提出了很高的要求。

2015-2020 年全球数据中心流量（Zettabytes／年）

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　　3、未来数据中心将向 200G、400G 甚至更高的传输速度演进

　　目前全球数据中心以 40G、100G 模块为主（国内目前正在测试 25G），数据中心内部（芯 片内部、芯片与芯片之间、机架内部、机架与机架之间等）的传输以电信号传输为主。

　　数据中心流量的爆发式增长，对数据中心内部传输提出了新的要求，未来数据中心必定 很快向 200G、400G 甚至更高的传输速度演进。

　　光传输已经进入到 Computercom 阶段

　　光通信已经发展了近 40 年，从 1980s 左右开始，相继完成了 WAN、MAN、LAN、System、 Board 领域的渗透。

光传输发展路径

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　　传统光通信模块主要是由 III-V 族半导体芯片、高速电路硅芯片、被动光学组件及光纤封 装而成，其中成本主要来自 III-V 族半导体芯片及系统封装。

　　随着晶体管加工尺寸不断减小，电互连面临着信号延迟大、传输带宽小、功耗大、信号 串扰大等局限，业界发现摩尔定律不再适用，传统的铜电路已经接近物理瓶颈，50Gb／s 已接近传输极限。

铜线在高速传输信号（>10G）时出现困难

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　　芯片层面光进铜退成为必然

　　数据中心对于带宽的需求并非看平均水平，而是要应对诸如“双 11”等高峰期的爆发式 流量，铜线的这一传输极限未来将无法满足数据中心通信和云计算产业的发展需求，需 要更快的传输速度，数据中心内部的光进铜退成为必然。

电、III-V 族、硅光子材料性能对比

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　　二、硅光子技术有望成为颠覆

　　硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI 等），利用现有 CMOS 工艺进行 光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特 性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。

　　硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成，使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过光电效应转换为光信号发射 到电路板上铺设的超细光纤，到另一块芯片后再转换为电信号。

硅光子系统的实现展示

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　　相对电传输，采用高速光纤的光传输架构，可以通过单一链路 25Gb／s 的标准达到 100Gb ／s 的传输速度，甚至更快。而在传输介质上，采用硅作为集成光器件衬底，可以利用已 有的集成电路工艺制作光器件，有助于降低成本及实现光电集成。

　　一旦硅光子技术得以成熟，对于现有的传统通信系统将是一个本质的颠覆，此外在包括 超级计算、军工、传感器、细胞和 DNA 分析、虚拟现实在内的应用领域，硅光子技术也 能发挥其光学特性和半导体特性，未来市场空间巨大。

　　硅光子行业爆发将即

　　1、硅光子技术进入集成应用阶段

　　硅光子技术最早1969年由贝尔实验室提出，50年来大体经历了技术探索（1960s－2000s）、 技术突破（2000s－2008 年）、 集成应用（2008 年至今）三个阶段。

硅光发展历程（1960s-2015）

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　　硅光子器件与产品可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。

　　硅光器件是各个环节的功能单元，主要包括光源、调制器、探测器、波导等。

　　硅光芯片将若干基本器件进行单片集成，以实现高性能、低功耗、低成本等特性，包括 光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集成芯片（探 测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等。

　　硅光模块是最终系统级的产品形式，即将光源、硅光子器件/芯片、外部驱动电路（激光 器驱动、调制器 IC 和探测器读出放大 IC 等）集成到一个模块，包括光发送模块、光接 收模块和光收发一体模块等

硅光子器件和产品分类

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　　硅光子技术经过近 50 年发展，逐渐走出了萌芽阶段，近十年来，基于硅光平台的光调制 器、光探测器、光开关和异质激光器相继推出， Intel 2015 年推出的硅基光电雪崩探测器 首次验证了硅光电子器件性能超越同类传统光电子器件，为大规模光子集成奠定基础。

　　根据 Intel 的硅光子产业发展规划，产业已经进入快速发展期，对比当前状态，到 2019 年，硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面分别能提高 8 倍、降低 85%、降低 84%。

硅光子产业发展规划

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　　2、预计硅光子行业两年左右可能迎来爆发

　　在当前的流量爆发式增长的需求推动下，目前硅光子技术进入关键发展时期。

　　当前行业有众多催化剂刺激：适用硅光子技术的 PAM-4 调制（能一个信号调制两个比特 信号）被 400G 以太网采纳作为标准；已经有部分硅光产品已经到达批量生产和批量出货 的阶段；数据中心给光工业带来的规模效应。

硅光子行业发展催化剂

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　　当然，未来的发展也一些不确定性：传统 CMOS 生产线并不能直接生产硅光器件，而是 需要做一定改动及优化，而且工艺制造在商用过程中有一定难度；在相当大的产量和更 高传输速度需求下，硅光子技术才能体现成本优势；封装存在一定难度，当前封装约占 最终收发器产品成本的 80－90%，未来目标是从目前的 5 美元/Gb，到 2020 年降至 0.1 美元/Gb 以下。

硅光子行业发展风险

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　　3、硅光子技术整竞争格局

　　硅光子技术涉及“设计－制造－封装”等生产环节，从产业链来看，包括原材料供应商（晶 圆厂等）、设计厂商、制造厂商、封装厂商、系统集成商等，当前商用产品较少，整个产 业还没有形成稳定的竞争格局。

　　硅光子技术是半导体技术和光学技术的结合，并且对于通信行业的影响将是颠覆性的， 在这一领域，目前投入研发的公司不仅包括 Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago 等光通信公司，Intel、IBM、思科、Imec 等半导体厂商和华为等设备商也加入了这一领 域的竞争。

　　硅光子技术是光学技术和半导体技术的结合，但随着硅基激光器等光学分立器件取得突 破性的进展，硅光子技术的半导体属性越来越强，在整个产业链中电子公司的 地位越来越重要，话语权也越来越重。

　　越来越多的电子公司看到硅光子技术的未来前景，包括思科、意法半导体、NEC、华为 海思等公司也投入研发，加上此前的英特尔、IBM 等，电子大厂拥有的资本优势、客户 优势、资源优势使得其在硅光子领域的发展中话语权越来越重。