今天分享的AI系列深度研究报告：《AI材料专题报告：AI革命催生新需求国产替代推动新方向》。
（报告出品方：光大证券）
报告共计：25页
1、算力需求增长催生 800G 光模块需求
算力是数字经济时代新生产力，已成为推动数字经济发展的核心力量、支撑数字经济发展的坚实基础，对推动科技进步、促进行业数字化转型以及支撑经济社会发展发挥重要的作用。
根据中国信通院《中国算力发展指数白皮书(2021 年) 》测算，算力每投入 1 元，将带动 3-4 元的经济产出。在 IDC、浪潮信息和清华大学联合编制的 《2022-2023 全球计算力指数评估报告》中，IDC 通过对样本国家的 IT 支出与 数字经济、GDP 的投入产出比计算，IT 支出每投入一美元资金可以拉动 15 美元 的数字经济产出，拉动 29 美元的 GDP 产出。
另外，《2022—2023 全球计算力指数评估报告》也显示，十五个样本国家 的计算力指数平均每提高1点，国家的数字经济和GDP分别增长3.6‰ 和1.7‰ ， 并且预计该趋势在 2023 年到 2026 年继续保持。
算力水平方面，据《中国算力发展指数白皮书（2022 年）》，美国、中国、 欧洲、日本在全球算力规模中的份额分别为 34%、33%、14%和 5%，全球基础 算力竞争以美国和中国为第一梯队且差距在不断缩小。据中国信息通信研究院测 算，2021 年我国计算机设备算力总规模达到 202EFlops，全球占比约为 33%， 保持 50%以上的高速增长，高于全球增速；其中，基础算力、智能算力、超算 算力规模分别为 95EFlops、104EFlops、3EFlops，同比增速分别为 24%、85% 和 30%。
人工智能受算力发展的直接影响，Chat GPT 的推出引起全球范围内的广泛 关注，AIGC 表现出强劲的市场潜力。在 IDC 预测中，全球 AI 计算市场的规模将 从 2022 年 195.0 亿美元增长到 2026 年的 346.6 亿美元，CAGR 达到 15.46%， 其中生成式 AI 计算市场规模将从 2022 年的 8.2 亿美元增长到 2026 年的 109.9 亿美元。AI 的快速发展推动算力需求快速上升。
光通信则是算力网络的重要基础和坚实底座，预计这将进一步推动海外云巨头对于数据中心硬件设备的需求增长与技术升级。据 Light counting 预测，全球光模块的市场规模在未来 5 年将以 CAGR11%保持增长，2027 年将突破200 亿美元。
800G 光模块具有高速传输、高密度、低功耗和高可靠性的特点，可广泛适用于IDC 数据中心、光通信骨千网等应用场景。AIGC 的高速发展将进一步促进数据流量的持续增长和包括光模块在内的ICT 行业的发展,加速光模块向 800G及以上产品迭代。
800G 光模块是最新一代光传输系统的标配，拥有巨大的市场潜力。据行业知名研究机构 Light Counting 预测,800G 光模块有望从 2025 年开始主导市场。按照销售额口径统计，400G 光模块的市场规模有望从 222 年的 11亿美元下降至 2025 年的 8 亿美元;800G 光模块的市场规模有望从 2022 年的2亿美元上升至2025年的16亿美元,800G光模块的占比有望从2022年的7%上升至2025年的 50%。
2、调制器是光模块的核心部件之一
在光通信网络中，光模块是光纤通信系统中的核心器件，是交换机与设备之间传输的载体，主要用于光网络通信设备上如汇聚交换机、核心路由器、OLT、DSLAM 等设备的光接口。
光模块是一个功能模块，是进行光电和电光转换的光电子配件，是光收发一体模块(OpticalTransceiver)。光模块的主要作用是发送端把设备的电信号转换为光信号，接收端把光信号转换为设备的电信号，实现光电信号的转换。
光模块电子元器件主要由激光器、调制器、接收器和控制芯片等部分组成。激光器是光模块中最重要的部分之一,其功率和稳定性直接决定了数据传输质量的好坏。调制器是光模块的另一个重要组成部分，其主要功能是将电信号转化为可传输的光信号，也就是将数字信号或模拟信号调制到激光器输出的光波中，实现数字光传输。接收器是光模块中用于接收光信号的元器件，其主要功能是将接收到的光信号转换为电信号，以供后续电子设备进行处理。接收器在接收光信号时，需要进行放大和滤波等处理，以提高信号的质量并降低噪声。
根据 2022 年 6 月头豹研究院数据，在中端光模块中，光器件成本占比约73%，电路芯片占比约 18%。在光器件中，光发射组件和光接收组件合计占比约 80%。根据 2020 年 8 月光库科技公告显示，预计2023 年薄膜酸调制成本构成中，直接材料费比例最高，达到 59%。
3、薄膜酸理调制器具有尺寸小、带宽大的优点，适用于高速率光模块各类调制器梳理
3.1、 各类调制器梳理
根据调制光的属性，光调制器可分为幅度调制器、偏振调制器、相位调制器、波长调制器等。根据光调制中所使用材料的光学特性，主要可以分为折射率调制器和吸收调制器这两类。根据不同工作原理，光学调制器可分为声光、电光、全光调制器等。
光通信行业中使用到的调制器一般是电光调制器，是现代通信产业的核心部件，通过将通信设备中的高速电子信号转化为光信号，在光纤中实现信息的远距离高速传输。光调制器的性能不仅决定了发射光信号的码率、质量和传输距离，也是光模块尺寸和功耗的决定性因素。因此，电光调制器是高速光通信链路核心器件之一。
目前，常见的电光调制器按材料划分主要可以分为硅基调制器、石墨烯调制器、磷化锢(Indium Phosphide,InP) 调制器、聚合物调制器和昵酸(LithiumNiobate，LN) 调制器等。
硅基调制器是利用硅材料的等离子色散效应来实现对光场的调控，从而实现高速的电光转换。硅基调制器具有尺寸小、工艺兼容、制造成本低等优点。然而,受限于硅材料中载流子的迁移速度，硅基调制器的线性度较差，进而会影响整个微波光子系统的动态范围。除此之外，硅基调制器的消光比较小，因此不适用于长距离的通信场景。
对于石墨烯调制器而言，可以通过化学掺杂或外加偏置电压调控石墨烯中的载流子浓度，从而实现电控石墨烯的光吸收能力。但是，石墨烯调制器的能耗较大，同样不适用于长距离传输系统中，并且石墨烯调制器无法承受高功率电信号的驱动。
InP (磷化钢) 调制器中的电光转换是由量子阱限制斯塔克效应(Quantum-Confined Stark Effect，QCSE) 来实现的，其主要原理是通过控制外加电场的变化,引起载流子变化从而实现折射率变化，但同时伴随电致吸收。由于 InP 属于 III-V 族材料，因此 InP 调制器可以实现与激光器和探测器的单片集成，但是面临电光调制带宽受载流子迁移速率的限制、调制线性度差、器件损耗较大的缺点。
有机聚合物电光调制器是利用有机聚合物被极化以后，在外部电场的作用下，材料的折射率会随着电场的变化而发生变化，从而实现电光调制。尽管有机聚合物电光调制器的调制带宽较大，但是它可能会发生退极化以及老化的现象，从而引起信号传输不稳定的问题。
钒酸鲤材料具有较强的电光效应，其折射率会随着外部驱动电压发生线性变化，是实现电光调制功能的重要材料之一。通常来说，昵酸理调制器的响应时间在飞秒级别以上，它的透明窗口宽，温度特性好，因此利用钜酸理可以实现快速.稳定的电光调制。目前，大多数商用昵酸理调制器采用的是块体材料锯酸键，基于钦扩散或质子交换制成的波导。这些波导的纤芯和包层之间的折射率对比度较低，其光学模式的尺寸非常大。较弱的光学限制要求金属电极与光波导间隔很远，降低了电光效率。以上原因导致了传统锯酸键调制器的尺寸较大，并且需要很高的驱动电压。除此之外，传统的分立式锯酸锤器件无法进行片上集成，不利于系统集成化的进一步发展。
近年来，随着材料、光子集成与微纳加工等相关科学与技术的快速发展，出现了许多具有高调制速率、低功耗、低成本以及高集成度的电光调制器，其中最典型的是薄膜昵酸鲤调制器。体材料银酸键电光调制器中的波导对光学模式的限制能力较弱，导致器件的电光调制效率偏低，存在器件半波电压高、带宽受限、尺寸大等不足。与传统的体材料酸相比，薄膜酸键在继承其固有线性电光效应强和本征光损耗低等优点的同时，可以大幅度缩短调制电极与波导之间的间距，从而获得较大的电光调制效率。
3.2、酸理调制器具有更高速率，顺应单波 200G 及以上发展趋势
根据华经产业研究院观点，目前行业内的主流电光调制器有三种，其基底分别采用硅、磷化钢和昵酸理材料，并且根据其优缺点不同，可适用于不同通信距离的应用场景。基于硅基的调制器速率约为 60-90Gbaud，基于磷化铟 (InP)调制器可达到 130Gbaud，而基于 LiNbO3 的调制器可能超过 130Gbaud。基于 这种优势，铌酸锂调制器在长途相干光传输和超高速数据中心的场景具备良好的 竞争力，主要用在 100Gbps 以上的长距骨干网相干通讯和单波 100/200Gbps 的超高速数据中心中。
根据 OFweek 光通讯网，昵奥光电开发的薄膜昵酸鲤调制器芯片目前已可实现超低驱动电压 (VT<1V) 和高速率 (最新记录 260Gbaud) 。薄膜酸调制器的低半波电压、大调制带宽、低光学损耗、高线性度以及高消光比等优点是实现高速光通信和高性能微波光子系统的理想途径。
根据头豹研究院观点，QSFP-DD 是 400G 光模块主流的封装形式，其主要通过 8*50Gbps 实现 400G 速率，随着后续 800G、1.6T 甚至更高速率光模块的推进，也将推动单波 100G 以上技术不断发展。根据中兴光电子技术有限公司《800Gbit/s 光模块技术及应用》的观点，从长期来看 (2026 年前) ，光/电单信道 200 Gbit/s 技术将会实现普及; 从短期来看(2024 年前)，由于单信道 200Gbit/s 的光电芯片器件和均衡技术目前尚不成熟,产业界仍需要时间来突破相关技术瓶颈，因而昵酸理技术路线未来可期。
3.3、国内外产业头部企业均已布局钜酸调制器路线
考虑到薄膜锯酸鲤材料优异的性能，当前主要光模块厂商新易盛、联特科技等以及供应商光迅科技、华工科技等均已布局昵酸理技术路线。
4、长晶或为核心环节，国内企业产品部分指标已接近国外第一梯队
4.1、酸理单晶生长过程中的热场设计或为核心制备环节
昵酸钾需要经过单晶生长、退火极化、定向等数十个流程，制备流程复杂工艺难度大，国内目前部分厂商如天通股份等已掌握单晶生长、切片、黑化、抛光等技术申请专利。
由于下游器件向小型化、批量化、低成本方向发展，因而也要求昵酸键晶体材料向大尺寸方向发展,其中单晶生长为最核心的环节之一,根据徐秋峰专利《一种大尺寸昵酸理晶体的制备方法》中介绍:
国内现有钜酸键产品以 4 英寸为主，对于大尺寸(6 英寸、8 英寸、10 英寸)昵酸鲤单晶生长来说，存在生长界面温场调控困难、继承性缺陷多、晶体热应力大等问题，极易导致晶体开裂。同时大尺寸昵酸理晶体存在较高的边际温度，使得鲤离子易高温挥发，导致妮酸理晶体中含有大量的本征缺陷，以及晶体居里温度不稳定且一致性差，严重影响晶体的质量，限制了其在许多领域的应用。
因而单晶生长过程中的热场设计或为最重要的环节之一。公开号为CN113529170A 的发明专利公开了一种超大尺寸酸单晶的生长方法，采用提拉法制备小尺寸晶体,在小尺寸晶体生长结束后提拉一段细颈，然后进入扩肩、等径和收尾阶段，完成超大尺寸锯酸键单晶的生长，以此解决中心热量对流不利问题。公开号为 CN111206282A 的发明专利公开了一种 8 英寸酸晶体的生产方法，采用多层温场，保证温场均匀无突变，避免晶体多晶和开裂;制备多晶原料时进行多次混合烧料，确保晶体居里温度稳定。
2023年5月8 日，位于徐州经开区的天通凯巨科技有限公司银酸键大尺寸晶片项目正式量产，意味着在光通信领域关键原材料上成功突破“卡脖子”技术，实现国产化替代。
4.2、大尺寸昵酸理晶片仍被国外厂商垄断，但国内企业产品部分指标已接近国外第一梯队
全球钜酸单晶行业主要企业为日本信越化学、日本住友金属、德国爱普科斯、德国 Korth Kristalle、中国台湾兆远科技、中国大陆德清华莹和天通股份等。根据共研网数据统计，2021 年国内银酸键企业产能主要集中在德清华莹和天通股份，约各占 40%，而目前大尺寸昵酸理晶片市场仍被国外厂商垄断，国产率低于5%。国内已有诸如天通凯巨 (天通股份子公司) 、南智芯材、德清华莹等企业布局大尺寸产品，未来国产替代可期。
从主要各公司官网展示的产品指标看，如厚度偏差、翘曲度、透光范围等核心指标国内企业已接近国外第一梯队日本住友金属、德国 Korth Kristalle 等企业。
5、酸理晶体市场空间测算
妮酸鲤根据不同应用场景分光学级和声学级，被用于制备声学滤波器、谐振器、延迟线、电光调制器、电光调 Q 开关、相位调制器等器件。这些器件在手机、电视机、光通讯、激光测距、电场探测器等发挥重要的作用。
根据智研咨询报告，2022 年全球铌酸锂单晶市场规模为 3.17 亿美元，中国 铌酸锂单晶行业市场规模逐年攀升由 2016 年的 1.32 亿元增长至 2022 年的 3.56 亿元；2022 年进口铌酸锂单晶和国产铌酸锂单晶的均价分别为 488 元/片和 208 元/片；2022 年国内铌酸锂单晶需求量为 162 万片；据此计算出 2022 年海外需 求约为 365 万片。假设按照声学级铌酸锂：光学级铌酸锂=9:1 的比例测算，则2022年全球声学级酸理晶体和光学级酸理晶体需求量分别为 474万片和53万片。
根据半导体企业 Resonant 统计,2016-2020 年全球射频滤波器市场规模从50 亿美元增长至 150 亿美元，平均复合增长率为 31.6%，预计到 2025 年市场规模有望超过 302 亿美元。根据头豹研究院《2020 年中国射频滤波器行业精品报告》的数据，按照约 0.17 美元单个射频滤波器价值量测算，全球射频滤波器数量有望从2022年1157.6 亿个上升至2025 年的 1761.7 亿个根据 Yole 预测2022 年 SAW 滤波器占比为 40%，我们假设后续 SAW 滤波器的占比保持 40%不变。
根据切割数量= (晶圆面积/芯片面积-t” (晶圆直径/芯片对角线长度))良率计算，假设 SAW 滤波器芯片尺寸为 0.95mm*0.65mm，良率为 80%，则单个 4 英寸昵酸理晶可制造滤波器数量为 9086 个，对应全球 SAW 滤波器消耗声学级昵酸理晶体数量有望从 2022 年的 458.7 万片上升至2025 年的 698万片;全球声学级酸理晶体需求有望从 2022 年的 474.1 万片上升至2025 年的713.9 万片。
根据 Light Counting 预测，假设 400G 光模块的市场规模从 2022 年的11亿美元下降至 2025 年的 8 亿美元;800G 光模块的市场规模从 2022 年的 2亿美元上升至 2025 年的 16 亿美元。
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