AI催生高算力需求，芯片容量告急，“光”來拯救！

隨著人工智能、大數據、云計算等新興技術的迅猛發展,信息技術正在經歷深刻革新。在這場"科技革命"中,光芯片扮演著至關重要的角色。作為集成光電路和電子電路于一身的創新器件,光芯片被視為新一代信息技術的關鍵支撐。

與傳統電子芯片相比,光芯片擁有更高的信號傳輸速率、更大的帶寬容量,能有效解決目前互聯網數據傳輸中的瓶頸問題。此外,光芯片還具有低功耗、抗電磁干擾等優勢,在人工智能、量子計算等領域也擁有廣泛的應用前景。因此,掌控光芯片技術實力,將直接關乎一個國家在未來信息技術競爭中的地位和話語權。

目前,全球主要科技強國均將光芯片研發作為重點發展方向。中國作為新興科技大國,也意識到這一核心技術的重要性,并在光芯片領域取得了令人矚目的突破,為國家信息技術實力的提升注入了新動力。

中國團隊研制新型光集成芯片

2022年,中國科研團隊通過自主創新,成功研制出新型硅基光集成芯片。這款芯片實現了光電路系統的單芯片集成,將光波導、激光器、調制器、耦合器等多個光電元件集成在一個芯片上,大幅提升了光電路系統的集成度和能源效率。

新型硅基光集成芯片體積極小,僅有指甲蓋大小,但其信號傳輸速率卻可達100Gbps,是當前主流電子芯片的數十倍。與此同時,該芯片還具有極低的功耗,完全可滿足大數據、人工智能等新興技術對高速率、大帶寬、低能耗的迫切需求。

這項突破不僅打破了國外企業在光芯片核心技術領域的壟斷,也為中國信息技術的發展注入了新的動力源泉。目前,該芯片已在數據通信設備、人工智能系統等領域逐步推廣應用,并有望為5G、6G通信、智能家居、自動駕駛等多個領域帶來革命性的變革。


AI時代算力引擎加速智能應用普及

光子芯片能夠大幅提升計算能力,這對于AI等算力密集型應用至關重要。事實上,AI技術的高速發展很大程度上依賴算力的不斷升級。隨著深度學習等技術日益復雜,訓練所需算力正在指數級增長,對高性能計算芯片的需求與日俱增。

光子芯片極高的運算速度和能效,使其成為解決AI"饑渴癥"的理想之選。憑借超高的并行處理能力,光芯片可快速完成龐大的矩陣乘法、卷積等運算,進而高效訓練復雜的深度神經網絡模型。在實際應用中,光子AI芯片可為語音識別、自動駕駛、生物醫療等領域帶來大幅性能提升。

科技巨頭和學術機構都已看到了這一前景。谷歌、英特爾等公司紛紛加大了光子芯片的研發投入。如谷歌宣布斥資數十億美元打造光子AI加速芯片。麻省理工學院等機構也推出了多項光子芯片技術突破。行業分析認為,未來3-5年內或將面世商用光子AI加速芯片,進一步催生多元智能應用的大規模普及。


產業新高地孕育催生新興材料需求

光子芯片的崛起不僅影響科技前沿,也將重塑周邊產業生態。其中,對相關關鍵材料帶來了全新市場需求。鈮酸鋰就是制造光電集成芯片的核心材料,晶體結構特殊、折射率高,非常適合作為光波導使用。

目前,光電子器件對鈮酸鋰的需求約占全球總需求的三分之一左右。但伴隨著光子芯片研發的加速以及未來大規模應用,鈮酸鋰需求料將呈幾何級數增長。據業內專家測算,到2035年,全球鈮酸鋰需求可能攀升至約80萬噸,是目前的20多倍。

開發和儲備這一關鍵材料戰略資源已經成為全球科技產業鏈的新高地。除鈮酸鋰外,硅、氧化鎵、砷化鎵等多種光電功能材料在光子芯片制造中也扮演著重要角色,市場需求同樣面臨爆發。相關企業已開始布局資源,搶占未來產業制高點。


國產替代空間廣闊，下游應用多點開花

政策推動近年來相關政策頻出，國產替代迎來重要發展機遇。2017年《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022 年）》中明確2022 年 25G及以上速率 DFB 激光器芯片國產化率超過 60%，提高核心光電子芯片國產化；2021年1月《基礎電子元器件產業發展行動計劃(2021-2023年）中提到重點發展高速光通信芯片；2021年11月《“十四五”信息通信行業發展規劃》中提及到 2025 年，信息通信行業整體規模進一步壯大目標，光芯片作為通信底層基座，有望持續受益。


市場規模

全球市場規模：根據LightCounting數據，全球光芯片市場規模將從2022年的27億美元增長至2027年的56億美元，CAGR為15.7%。

中國市場規模：中國光芯片市場2022年市場規模為7.8億美元，預計2025年增長到11.2億美元，CAGR為12.8%。國內光芯片市場中，2.5G/10G光芯片市場國產化程度較高， 據ICC數據，2021年2.5G國產光芯片占全球比重超過90%、10G國產光芯片占全球比重約60%；2021年25G光芯片的國產化率約20%，25G以上光芯片的國產化率約5%。

受益于信息應用流量需求的增長和光通信技術的升級，光模塊作為光通信產業鏈最為重要的器件保持持續增長。同時近日AI引領算力爆發，光模塊作為AI背景下最直接受益、確定性最高品種，光芯片作為光模塊核心元件有望持續受益。

隨著信息技術快速發展，全球數據量需求持續增長。根據Omdia的統計，2017年至2020年，全球固定網絡和移動網絡數據量從92萬PB增長至217萬PB，CAGR為33.1%，預計2024年將增長至575萬PB，CAGR為27.6%。同時，光電子、云計算技術等不斷成熟，將促進更多終端應用需求出現，并對通信技術提出更高的要求。受益于信息應用流量需求的增長和光通信技術的升級，光模塊作為光通信產業鏈最為重要的器件保持持續增長。根據LightCounting的數據，2016年至2020年，全球光模塊市場規模從58.6億美元增長到66.7億美元，預測 2025年全球光模塊市場將達到113億美元，為2020年的1.7倍。光芯片作為光模塊核心元件有望持續受益。

相較普通攝像頭，3D傳感(包含雙目立體測距、結構光、TOF)可探測環境的深度特征，廣泛應用于消費電子領域。3D傳感攝像頭可實現人臉識別、手勢識別、三維建模等多項功能，可適用于移動設備、機器人、安防監控等多種終端，人臉識別為當前3D傳感攝像頭最主流的功能。

VCSEL激光器多用于消費電子領域。與LED、EEL等光源相比，VCSEL激光器具有許多優勢，例如量產成本低，波長穩定性高（溫漂小），易于二維集成， 低閾值電流，可高頻調制，沒有腔面閾值損傷等。Yole發布的相關報告顯示，自2017年蘋果在iPhoneX中引入3D傳感功能以來，VCSEL在消費電子應用領域快速發展，主要應用逐漸由850nm器件的高速數據通信轉向940nm器件的3D傳感。

VCSEL 市場規模2022-2027 CAGR 約為19.2%。市場規模方面，據Yole統計，2022年VCSEL市場規模約為16億美元，預計2027年可達39億美元，5年復合增速為19.2%。競爭格局方面，Lumentum依舊為市場龍頭，2017-2021年均保持市場第一的份額，占42%左右。

激光雷達多種技術路徑并存，多品種光芯片有望切入賽道。若按使用的光波長來劃分，主要分為 905nm/1550nm。905nm激光器可搭配硅基光電探測器來接收激光，1550nm dToF方案需使用磷化銦材料體系的激光器（半導體激光器）和探測器；1550nm光纖激光器，種子源模組主要用脈沖式DFB激光器芯片。

VCSEL有望在激光雷達領域獲得更大的應用。2022年是激光雷達上車元年, 2023年激光雷達定點車型數量預計將大幅增加。據Yole測算，2027年激光雷達滲透率有望從不到1%增長到5%以上，激光雷達的出貨量可從2022年的22萬只快速增長至2027年600萬只。近年來VCSEL光源的功率密度和亮度實現了大幅提高，為其在車載激光雷達領域的應用提供可能，2021年禾賽科技和Lumentum合作發布業界首個基于VCSEL打造的車規級長距半固態激光雷達AT128，其中每臺AT128包含128個VCSEL陣列。

據Yole統計，2021年激光雷達市場規模為21億美元，預計2027年達到63億美元，復合增速為22%。在下游應用領域中，預計ADAS的應用復合增速將高達73%，市場規模提升至20億美元，成為激光雷達第一大應用場景。