AI時代對算力提出更高要求，薄膜鈮酸鋰光調(diào)制器一騎絕塵已成定局？

隨著信息時代的飛速發(fā)展，我們已經(jīng)進入到一個數(shù)字化、智能化、信息化的時代，當今時代，云計算、人工智能、視頻會議、短視頻和各種社交媒體等行業(yè)蓬勃興起，而 ChatGPT-OpenAI 的一次又一次的版本更新和迭代更是將我們帶入了 AI 時代的新紀元。在 2023 年底的華為全聯(lián)接大會上，孟晚舟就曾在演講中表示:「算力是人工智能發(fā)展的核心驅(qū)動力，算力的稀缺和昂貴，已經(jīng)成為制約 AI 發(fā)展的核心因素?！拐缑贤碇鬯?，AI 智算時代的確對算力提出了新要求，除此之外，也對傳輸速率和傳輸容量提出了更高要求。

光通信作為 AI 運算的基石，重要性不言而喻。這是因為光通信具有速率高、頻帶寬、保密性好、損耗小等諸多優(yōu)點，可以有效提升關(guān)鍵路徑上信息傳輸?shù)牡膫鬏斔俾屎蛡鬏斎萘?。再結(jié)合先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，光通信技術(shù)可以實現(xiàn)超高速率、超大容量、超長距離、超靈活的維度的高效傳輸。

我們知道，光通信主要是利用光信號承載需要傳輸?shù)男畔?，從而實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，而調(diào)制器則是這個過程中最核心的部分，他就像一個「魔術(shù)師」，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，調(diào)制器將電信號加載到光載波上，從而讓電信號能以光的形式飛馳前行。

而在當今時代下，由于人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)迅猛發(fā)展，對數(shù)據(jù)的傳輸容量和速度的需求日益迫切，研究和開發(fā)性能高效的光調(diào)制器已成為光通信領(lǐng)域中的重中之重。

光模塊調(diào)制器的分類及特點

目前市面上主流的電光調(diào)制器主要有三種類型：硅基調(diào)制器、磷化銦調(diào)制器以及備受矚目的鈮酸鋰調(diào)制器，他們各自的優(yōu)缺點、適用場景及速率如下表所示。

值得注意的是，鈮酸鋰材料以其優(yōu)異的電光特性被認為是制備高性能電光調(diào)制器的理想選擇，尤其是薄膜鈮酸鋰調(diào)制器，可以稱之為同類產(chǎn)品中的翹楚，說他「一枝獨秀，獨領(lǐng)風騷」也不為過。

這是因為與硅基調(diào)制器和磷化銦調(diào)制器等采用非線性調(diào)制方法的器件不同，鈮酸鋰調(diào)制器的工作機制與載流子的移動無關(guān)。它利用線性電光效應(yīng)將電調(diào)制信號加載到光載波上，調(diào)制速率主要由微波電極的性能決定，因此可以實現(xiàn)更高的調(diào)制速度和線性度以及更低的功耗。通過巧妙設(shè)計行波電極，薄膜鈮酸鋰器件可以很容易實現(xiàn) 100 GHz 以上的 3 dB 帶寬，這對于高速光通信、光互聯(lián)和片上光計算等都將產(chǎn)生重大影響。

市場分析及科企先進進展

在大數(shù)據(jù)和 AI 浪潮的牽引下，全球智能算力需求仍將保持快速增長，光模塊作為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵組件，備受關(guān)注。讓我們先縱覽全球及國內(nèi)市場，再聚焦一些最近的具體的進展。

光模塊全球及國內(nèi)市場數(shù)據(jù)分析

光模塊位于光通訊的中游行業(yè)，而光調(diào)制器作為光器件在光模塊中所占的比例從下圖可以清晰的看到，光通訊器件幾乎占據(jù)了光模塊中高達 73% 的巨大比重。據(jù) Yole 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022 年全球光模塊的市場規(guī)模約 97 億美元，同比增長 15.9%，目前全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)量正在呈現(xiàn)不斷上漲的趨勢，這將會驅(qū)動光模塊市場容量持續(xù)擴大，預(yù)測 2025 年全球光模塊行業(yè)市場規(guī)模將會達到 130 億美元。

再來看國內(nèi)市場，得益于通信需求的持續(xù)增長，光模塊等光通信器件的市場產(chǎn)量實現(xiàn)不斷上升，2021 年我國光模塊產(chǎn)品市場產(chǎn)量達 3.7 億只左右，同比增長約 23.3%，2022 年市場產(chǎn)量進一步增加，首次超過 4 億只，達到了 4.8 億只。

在市場銷量方面，2021 年我國光模塊產(chǎn)品市場銷量達 2.9 億只，2022 年國內(nèi)市場銷量繼續(xù)增加，達到 4.6 億只左右，伴隨著人工智能技術(shù)的崛起，預(yù)計國內(nèi)市場銷量會持續(xù)增加。

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的市場格局

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器中最核心的部分肯定是鈮酸鋰晶體，所以我們先來看一下鈮酸鋰的全球市場格局。在全球鈮酸鋰晶體市場中，愛普科斯（德）、住友金屬（日）、KorthKristalle（德）排名前三。我國鈮酸鋰晶體市場的主要參與者包括：福晶科技、天通股份、德清華瑩、南智芯材等。其中福晶科技作為全球最大非線性光學(xué)晶體生產(chǎn)商，提供各種規(guī)格鈮酸鋰晶體，相關(guān)產(chǎn)品已成功推向 Lumentum 等光器件廠商。

我們知道，薄膜鈮酸鋰光調(diào)制器是 1.6T 光模塊的剛需品，只有薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器才能滿足高算力標準，具備低損耗，小尺寸，高帶寬的特點。但是薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的研發(fā)制造并非易事，其工藝復(fù)雜程度極高，對技術(shù)和生產(chǎn)能力的要求嚴苛，全球僅有三家供應(yīng)商可以批量供貨：日本富士通、日本住友、光庫科技，其中富士通占據(jù) 70% 全球市場份額。

這里還想提一下國產(chǎn)企業(yè)珠海光庫科技（簡稱光庫科技），光庫科技于 2019 年收購美國 Lumentum 鈮酸鋰調(diào)制器生產(chǎn)線，于 2023 年美國光纖通訊博覽會上展示鈮酸鋰調(diào)制器，并于 2023 年 10 月份增資，在意大利米蘭設(shè)置薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片生產(chǎn)基地。作為作為國內(nèi)唯一能夠?qū)崿F(xiàn)鈮酸鋰調(diào)制器量產(chǎn)的企業(yè)，并且成功研發(fā)出新一代薄膜鈮酸鋰技術(shù)，同時是英偉達供應(yīng)鏈上的一員，光庫科技當之無愧是一顆耀眼的新星。

此外，提到薄膜鈮酸鋰技術(shù)，不得不提到另外兩家不容忽視的國產(chǎn)企業(yè)，分別是鈮奧光電和元芯光電。

鈮奧光電是一家專注于從事薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片及器件的研發(fā)、設(shè)計、制造的企業(yè)，致力于打造全球一流的高速調(diào)制器光電子芯片。鈮奧光電的薄膜鈮酸鋰技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平，其 800G/1.6T 系列數(shù)通產(chǎn)品均已處于送樣或小批量階段，未來發(fā)展值得關(guān)注。

元芯光電擁有出色的薄膜鈮酸鋰光子集成技術(shù)，在剛剛結(jié)束的 2024 年光網(wǎng)絡(luò)與通信研討會及博覽會上，元芯光電在會上展示了其在薄膜鈮酸鋰光子集成電路（TFLN PICs）領(lǐng)域的最新研究成果，包括技術(shù)領(lǐng)先性、量產(chǎn)穩(wěn)定性以及首次公開的可靠性數(shù)據(jù)，引發(fā)了與會者的廣泛關(guān)注。值得一提的是，在本次會議的市場觀察小組（Market Watch Panel III）討論中，多家國際知名企業(yè)如富士通、Ciena 和 Marvell 均表示正在研發(fā)或認真考慮利用薄膜鈮酸鋰作為相干發(fā)射機。這一趨勢表明，薄膜鈮酸鋰技術(shù)正逐漸成為全球光通信行業(yè)的主流選擇。

鈮奧光電和元芯光電為國內(nèi)光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力，隨著薄膜鈮酸鋰技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用場景的拓寬，相信未來還會涌現(xiàn)更多的后起之秀，這將推動光通訊行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

1.6T 光模塊進展或超市場預(yù)期

基于薄膜鈮酸鋰的光調(diào)制器具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生產(chǎn)、且與 CMOS 工藝兼容等優(yōu)點，利用薄膜鈮酸鋰制作光模塊是高速光通信中極具競爭力的解決方案。薄膜鈮酸鋰光模塊的結(jié)構(gòu)與硅光類似，需要 CW 光源、DSP、Driver（看情況加入）、AWG 或平行光組件以及薄膜鈮酸鋰芯片。這其中最重要的核心組件就是薄膜鈮酸鋰芯片，800G 光模塊一般需要 1 顆薄膜鈮酸鋰芯片、1.6T 需要 1-2 顆薄膜鈮酸鋰芯片。1.6T 光模塊作為一項高速傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達 1.6 太比特每秒，能夠滿足人工智能應(yīng)用的高網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，確保高效的數(shù)據(jù)傳輸和模型部署。

在在人工智能算法的訓(xùn)練和應(yīng)用過程中，大量的數(shù)據(jù)需要傳輸和處理，而高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸是保證算法模型能夠正確訓(xùn)練和快速部署的重要保障，因此近期各大 AI 巨頭對 1.6T 需求較為迫切，早在 2023 年底，就傳出英偉達已在催單，這是因為英偉達即將發(fā)布的超強性能的 B100 對應(yīng)服務(wù)器網(wǎng)卡升級至 800G，交換機側(cè)光模塊升級至 1.6T 且 GPU：1.6T 光模塊配置比例約為 1：2.5。據(jù)悉，英偉達的 B100 少量早期樣品將于 2024 年第二季度出貨，并有望在 2024 年第三季度量產(chǎn)，因此英偉達對 1.6T 光模塊一直有著大量需求。同時，隨著谷歌震撼發(fā)布 Gemini 大模型并推出配套系統(tǒng) TPU v5p，在需求高增長的推動下，谷歌對 1.6T 光模塊也有大量需求。此外，亞馬遜今年下半年或明年可能有一大部分產(chǎn)品直接跳到 1.6T，或者是 800G 和 1.6T 并用。

總結(jié)與展望

薄膜鈮酸鋰光調(diào)制器作為 1.6T 光模塊的核心，說它是 1.6T 光模塊最強增量環(huán)節(jié)也不為過。正如之前所提到的，在 AI 技術(shù)快速崛起的時代，具備高效傳輸能力的 1.6T 光模塊的需求量會日益倍增。而在 1.6T 光模塊里，暫時還沒有薄膜鈮酸鋰晶體的替代品，所以正如題目所言，薄膜鈮酸鋰光調(diào)制器一騎絕塵，為高速光通信奠定了堅實的基礎(chǔ)。那難道薄膜鈮酸鋰調(diào)制器就完美無缺，沒有任何優(yōu)點嗎？答案當然是否定的。

傳輸速率提高注定會帶來功耗增加、傳輸損耗增加以及成本增加等重大問題。光模塊技術(shù)的升級不僅是簡單的速率翻倍，更需要解決的是速率提高所帶來的功耗高、成本大等問題。

筆者認為，薄膜鈮酸鋰未來的研發(fā)重心應(yīng)該是當其應(yīng)用于更大規(guī)模片上系統(tǒng)時，能同時提供高速電光控制、低損耗傳輸和可擴展性。此外，基于薄膜鈮酸鋰晶體的大規(guī)模光子集成也是一個值得關(guān)注的方向，光子集成技術(shù)為突破大規(guī)模光纖網(wǎng)絡(luò)的通信容量瓶頸以及實現(xiàn)大規(guī)模光電融合提供了有效途徑。

近期，華東師范大學(xué)、上海光機所在薄膜鈮酸鋰襯底上實現(xiàn)了 4×4 可編程線性光子運算器。該器件在損耗、功耗和運算速度方面顯示出巨大優(yōu)勢。相信在不久的將來，基于鈮酸鋰晶體的光子集成技術(shù)也會進入商用階段。