矽光子｜真正認識光通訊產業 一 CPO矽光子17倍成長
2024年9月26日，撰文者：林區
搭好我是林區。
AI已經明確加快光通訊的技術迭代，造成升級週期顯著縮短，之前從100G過渡到400G用了超過3年，但未來，從800G到1.6T的世代替換很可能縮短至不到兩年，才能滿足爆增的運算速度需求。
網通晶片大廠Marvell在今年4月舉辦AI DYA投資者交流會，公司執行副總裁(Loi Nguyen)在演講中提到，大語言模型規模變大帶來的多卡(GPU)並行，越來越多的交換網路層數使得連線數的上升速度比GPU增速更快。
從之前的GPT-3到未來的GPT，集群增長速度如果是100倍，光互連數量的增長速度將會是200倍。
因此需要更多的『光模組』，需求將會大爆發。
到底有多爆，來看個數據。
下圖是光通訊模組，依雷射類型分類的成長潛力分析，請看『矽光子』的部分。
目前矽光子市場大約是2億美金，也就是60億台幣，2028年將成長到34億美金，也就是1000億台幣。
這大概是17倍成長，換算年複合成長率是每年76%。
而現在大部分的光通訊類股，上漲幅度都還不到一倍。
本文就讓我們一起真正認識光通訊產業，光收發器、矽光子到底是什麼、為什麼一定需要升級、為什麼潛力這麼大，這將會是你第一次真正搞懂光通訊。
搞懂光收發模組
首先我們要理解，什麼是光收發模組。
這是一個將光訊號轉為電訊號的小裝置，AI資料中心在傳遞資訊時用的都是光纖，因此必須把光訊號轉成電訊號，才能進到伺服器的晶片裡。
以目前技術來說，暫時沒有東西可以取代他，還會越來越進化。
現在最新發展是，廠商正在改造這顆光收發模組，把他變得更快且單位成本更低。
過去我們一直停留在紅框這個階段，也就是剛才看到的熱插拔式的光收發模組，他是像USB一樣用插入的方式連接到PCB板。
但未來會將光收發模組裡面的元件改為矽光子技術，達成損耗低、速度提升，且單位成本下降，這是目前已經走到的階段，根據工研院統計，2023年矽光子技術大約有5%滲透率。
之後會將模組移到更靠近晶片的位置，這樣損耗更低速度更快，一種是先移到PCB板上，稱為OBO方案(On-Board Optics)。
更進一步則是直接跟晶片封裝在一起，稱為CPO方案 (Co-Packaged Optics)。
而這3種進化後的方案，都需要採用『矽光子』技術，因為生產方式不同，將帶來本文開頭提到的巨大的商機。
不過說明一下，市場近期一直在討論的CPO(矽光子)就涵蓋了OBO和CPO和NPO(Near-Packaged Optics)方案，只是大家為了簡化名詞可能會把他們都統稱為CPO。
搞懂矽光子技術
好，那什麼是『矽光子』。
如圖，原本的光收發模組長這樣，內部有各種元件，包含綠色那塊是PCB、還有雷射二極體、檢光器…..等等，長不到10公分，寬不到2公分，內部零組件卻非常復雜。
而矽光子技術，會將剛剛看到光收發模組的大部分元件，都集合成一塊矽光子晶片，就是畫面上這一大塊灰色長方形。
目的就是為了降低功耗、提高效能、以及微縮。
白話講就是，將原本的PCB加各種元件，都微縮成一塊晶片，CP值就上升了。
為什麼是現在
你可能會問，為什麼是現在？矽光子喊了好多年，每年都沒實現。
有三大理由，請聽我娓娓道來。
原本當光通訊進入速度400G的時代，大家就想要改用矽光子方案，但因為當時技術不夠成熟，良率較低，相比起來還是技術成熟的傳統方案更划算。
但請看左圖，到了800G時代，當速度變快通道數就會增加，內部元件更復雜，這導致生產良率下降、成本上升。
而矽光子的技術卻慢慢變成熟，使其剛好迎來一個轉換的甜蜜點，相比起來矽光子方案的優勢開始突顯出來。
這就是第一個理由：傳統方案無法適應越來越高的速度需求。
第二個理由是：傳統方案功耗太高。
回到過去，以前10G的光收發模組，功耗大約才1W，來到800G，功耗上升至13W左右。假如每台交換器有48個光收發模組，功耗將來到624W。
光是要傳輸資料就消耗大量電力，耗電=耗錢，所以對電力極為缺乏且昂貴的現在，矽光子方案成為更優秀的選擇。
第三個理由是：AI使速度需求大幅加速。
其實這才是最重要理由，因為這個原因，使前面2個理由被大幅加速，原本大家都是慢慢拖，反正需求上升速度並不快，用傳統方案也沒問題。
但現在不到2年速度需求就會X2，必須加速採用新技術才有解。
這就是為什麼矽光子滲透率開始見到上升的主要原因。
最新迭代進度
目前最新的迭代進度如圖所示，800G已開始被大量採用，1.6T小量採用，26年大量採用。
像聯亞(3081-TW)今年7月已經開始出貨800G用的矽光磊晶片給中國客戶，8月開始小量出貨1.6T給北美CSP客戶。
供應鏈：上游材料及元件
前半集我們已經把光收發模組是什麼，以及矽光子為什麼忽然有大量需求搞懂了。
後半集要討論的就是：矽光子產業鏈關係。
假如能弄懂每一家公司負責哪一個生產流程，有哪些競爭對手，就能對公司可能分到多少訂單、以及訂單的確定程度有更清楚的認識。
OK，這張圖是光收發模組的上下游結構及元件列表，雖然來到矽光子之後，元件可能會有些變化，但大致上是差不多的。
這張圖目前只有列出元件，假如你對所有元件供應商有興趣，我也整理了另一張圖表，把各個元件供應商都寫在旁邊，可以加入我的LINE群查看完整的圖表。
首先，灰色這一大塊是SOI晶圓，用來承載各種電子元件，如下圖彩色的部分，SOI晶圓主要供應商是法國Soitec，全球市佔率大概7成。
台廠可以供應的有環球晶，但相對於環球晶1年700億的營收規模，這塊市場並不算大，無法帶來倍數成長。
供應鏈：磷化銦(InP)磊晶片
再來是雷射元件，屬於模組中的主動元件，是矽光子最關鍵的元件之一，通常是以磷化銦(InP)晶圓基板來生產，技術難度相對高。雷射的用途是把光訊號發射出去，光訊號的開與關代表電腦的1與0，這樣就可以傳輸資料。
磷化銦(InP)磊晶片這項原料大部分由台廠供應，分別是聯亞(3081-TW)市佔大約5成，再來是全新(2455-TW)及英國IQE，因為技術難度相對高，新競爭者較難切入，所以競爭程度比較低。
因此未來由矽光子帶來的磷化銦(InP)磊晶片需求超爆發成長，台廠將能吃下一大半。
供應鏈：雷射元件(LD)及封測
而磷化銦(InP)磊晶片原料拿到後，就要製成雷射元件(LD)(屬於模組中的主動元件)，供應商主要是三家國外大廠，分別是住友電工、JX金屬、AXT。
而台廠的華星光、光環、聯鈞正在努力切入這塊市場。
雷射元件製作完成再由聯鈞、光聖負責封裝及測試。
供應鏈：光纖
接著是光纖的部分，屬於被動元件，矽光晶片與光纖跳接線之間，就要靠光纖連接器互相連結，或直接以黏著劑固定，日本半導體材料大廠Resonac就針對CPO光纖連接需求研發了新的黏著劑產品。
而台廠上詮、波若威、光聖，則生產光纖跳接線及光纖連接器，用來把各個機器連接起來。
供應鏈：模組廠及封裝廠
較上游的供應商將各種元件都生產完成後，會先封裝成一個『次模組』，次模組就是整個大模組裡的小模組，最後再交給中游的模組廠，把各個次模組跟PCB或晶片組裝起來出貨給客戶。
次模組廠：光環、華星光、光聖、眾達-KY、創威
模組廠：眾達-KY、前鼎、訊芯-KY、創威、鴻騰精密(HK)
封裝廠：日月光、台星科、矽格
不過技術較低的模組廠主要都是中國廠商的天下，從以下表格可看，2016年後中國廠商大舉入侵，到2023年為止，前十大已經有6家中國廠商。
因此在模組封裝的領域，公司必須做出不同的價值才能提升競爭能力，例如往上游整合，去做次模組的封裝，例如眾達-KY，或再往上游一點做元件，例如光環、華星光、光聖，可以同時包辦多個製程，以求降低成本、或提供客戶更完整的模組，競爭力較能提升。
又或是積極研發新世代技術例如CPO，也是有效提升競爭力、找到新成長動能的方法。
供應鏈：CPO設備/雷射元件檢測設備
在設備方面，因為由傳統方案進化為矽光子方案，生產方式完全不同，就產生新的設備需求，包含製程設備及檢測設備，當未來產值逐漸放大，所需要的設備數量也會同步上升，才能跟上矽光子需求增加速度。
而台廠惠特(6706-TW)就提供CPO設備，如光纖陣列耦光貼合設備，也提供雷射二極體測試設備。
光通訊供應商列表
最後幫搭整理了光通訊產業供應商列表，對這個產業有興趣的朋友可以加入我的LINE群看完整的表格，每間公司在矽光子的最新進展也都有整理出來。
其中我會先關注營收規模較小的公司，因為市場規模大概是千億級別，營收規模小的公司在這個市場中搶到一點訂單就能帶來大成長。
並且會比較關注競爭者少的公司，請看表格中，如果同樣的業務出現太多次，代表這個領域的對手眾多，每年新增的產值金額會被所有人一起平分掉。
還會關注切入新業務的公司，例如原本沒有做該元件，但公司積極研發切入，成功打入一塊市場就有機會取得新的營收。
歡迎觀看影片版本，內有實際操作示範
相關公司：環球晶(6488-TW)、聯亞(3081-TW)、全新(2455-TW)、華星光(4979-TW)、光環(3234-TW)、聯鈞(3450-TW)、光聖(6442-TW)、上詮(2455-TW)、波若威(3163-TW)、眾達-KY(4977-TW)、創威(6530-TW)、前鼎(4908-TW)、訊芯-KY(6451-TW)、日月光投控(3711-TW)、台星科(3265-TW)、矽格(6257-TW)、惠特(6706-TW)、統新(6426-TW)