光通信的再思考：5G流量爆发下的数据密度革命

来源：未来智库

1.投资要件

区别于市场的观点：

（1）市场对 5G 时代流量爆发的认知不足。市场认为当前大带宽高流量新应用的爆发趋势尚不明显，当前流量增长需求不清。我们认为，5G 时代的流量的爆发将会是数十倍的量级。结合我们韩国调研成果，在当下 5G 应用尚未大规模兴起的情况下，仅依靠高清视频、直播等既有的业务，韩国在 5G 推出半年的时间内，就实现了人均流量 DOU 近 3倍增长。未来在新应用的不断涌现带动下，流量将迎来大爆发，包括受益于 5G 网络带宽提升而即将推广的云游戏、应用场景逐步完善的 AR/VR、以及车联网、工业互联网等B 端物联网应用等，都将带动流量向人均 100G 的 DOU 增长。

（2）市场对数据中心升级带来的需求认知不足。市场对北美率先展开的 400G 数据中心升级所拉动的需求认知不足。我们认为，随着流量的爆发和云计算、人工智能等技术的不断兴起，数据中心对外南北向以及对内东西向流量均迎来爆发，升级刻不容缓。北美云厂商的资本支出在 2020 年会迎来高增长，400G 的资本支出一定高于以外任一阶段的数据中心升级。数据中心升级不仅在于光模块，还包括交换机、光纤、连接器等需求进一步升级，高速 PCB 板也将大量应用。这些上游设备和器件将随着 400G 的投资推进而加速放量。

关键假设：

（1）当前全球 5G 整体正处于商用前夕，我们认为随着 5G 基础设施建设铺开、SA 独立组网标准落地、5G 手机终端换机潮展开，人均流量将迎来十倍增长。

（2）参考率先商用的韩国市场，我们预计正式进入 5G 时代后，高带宽大流量的无线业务应用的出现将带动流量进一步爆发增长。同时云计算、人工智能还将继续高速发展，流量将继续高速成长，带动大型云厂商率先加大数据中心资本投入，推动数据中心加速进入 400G 元年。

（3）当前主流云厂商数据中心均已采用叶脊架构，或基于叶脊架构进行开发升级。我们认为未来随着云将成为大趋势，数据中心内部的东西向流量将占到整个数据中心流量的大头，内部流量的爆发将带动数据中心采用叶脊架构，器件向更高密度进行升级。

股价上涨的催化因素：

（1）5G 建设及用户迁移进程加速；

（2）流量爆发超预期；

（3）高带宽、大流量新应用涌现；

（4）云厂商 400G 升级提速。

投资风险：

（1）5G 进度不达预期；

（2）全球贸易摩擦加剧；

（3）大型云厂商数据中心资本开支进展不及预期。

2. 5G 时代光通信的再思考——流量爆发下的数据密度革命

我们一直在思考一个问题：5G 流量再爆发中，光模块的产业演进路径如何？结合此前日韩 5G 研究、光博会草根调研，我们本文系统性地从架构的变化衍生出对设备、光芯片、光模块、连接器件以及 PCB 材料演进路径的分析。站在当前时点，市场担心光通信同质化竞争严重，会影响产品毛利率进而拖累业绩增长，但我们看到，5G 对数通设备、400G、MPO 连接器、高频高速材料等提出新的要求，流量爆发下的数据密度革命即将到来，新产品、新市场的出现将极大提振盈利能力，优秀企业在产品能力、渠道能力、成本管控等方面的竞争优势将进一步体现，从而拉开业绩差距。因此，不必过分担心同质化竞争而忽略了 5G 的大机遇，在全球 5G 放量的前夕，光通信仍是最确定的方向。

2.1 流量驱动下的东西向"叶脊架构"需求增长

5G 与 400G 数据中心是双生式同步发展。当前，全球主要国家正在积极参与 5G 的商用化。运营商正在全速部署下一代网络设备，为 2020 年及以后的 5G 服务做好准备。4K/8K 高清视频、直播、视频会议、VR/AR 等大带宽的持续发酵酝酿，NB-IoT 等技术引发物联网产业新一轮增长，海量移动设备的接入，应用端的发展正指向着流量的大爆发。在当下 5G 应用尚未大规模兴起的情况下，依靠高清视频、AR/VR 等既有业务，韩国在5G 推出半年的时间点，实现了流量近 3 倍增长（DOU 从约 8G 到 25G），结合近期不断涌现的新型应用（如一夜爆红的 AI 视频换脸 ZAO），我们预计在 5G 时代随着高宽带应用的逐步落地，流量的爆发将会是数十倍的量级。

云成为大趋势，大型数据中心规模继续增长。根据 Synergy Research 数据显示，2018 年年底全球超大规模数据中心数量已经达到 430 个，美国占据其中 40%。超大规模数据中心的增长势头不减，公司收入每年平均增长 24％，而资本支出增长则超过 40％——其中大部分用于建设和装备数据中心。据思科预测，2021 年全球数据中心流量将增长到每年 20.5ZB，且 95%的数据中心流量将是云流量。在即将到来的 5G 时代，流量的爆发将汇聚成数字海啸。过去几年，海外云厂商经历了从需求爆发到去库存的周期轮回，但随着 5G 到来，我们认为，数据中心的需求增长仍是确定性的。近期市场担心四季度海外能否起量也仅是短期维度的压制因素，随着 2020 年 5G 整体起量，大型数据中心是不可或缺的基础设施。

大型数据中心叶脊架构已成主流架构，新的交换模式可以带来更低的延时，传统三层架构退出历史舞台。首先大型云厂商在即将到来的 5G 时代，以及云进程的进一步深入加速，大型云厂商数据规模越来越大，数据中心内部东西向流量已然占据主导地位，更适于数据中心内部数据交互的扁平胖宽的叶脊架构已成为数据中心的首选。叶脊架构使得数据中心规模变得更大、更扁平化，这使得整个数据中心需要更多的交换机，交换机之间也需要更快的传输速率以及更高的光纤覆盖率来满足内部海量流量的互通。我们在近期国内市场的走访中已经越来越多听到关于叶脊架构的讨论。

交换机之间连接都需要高端光模块来完成，叶脊架构所需高速光模块数量巨大。对于有1000 个机柜（单机柜 30 台服务器）的大型数据中心，总出口带宽 1T，单服务器带宽10G，采用传统三层架构，核心层交换机 4 个，汇聚层交换机 20 个，接入层交换机 2000个。则核心层与汇聚层之间 40G/100G 高速光模块 4*20*2=160 个。同样规模下采用叶脊架构的数据中心，需要的叶交换机数量在 300 个左右（单台叶交换机下行连接 100 台服务器），则下行带宽 100*10G=1000G，为了保证收敛比，上行带宽约为 330G，如果采用 40G 光模块，则对应脊交换机 8 个，则需要的高速光模块是 300*8*2=4800 个；如果采用 100G 光模块，则对应脊交换机 4 个，则需要的高速光模块是 300*4*2=2400 个。对比可知，叶脊架构所需的高速光模块数量是传统三层架构的 15-30 倍。对大型和超大型数据中心而言，随着机柜和服务器数量增加，整体结构将更趋于大型化和复杂化，对应的叶脊架构下所需高速光模块的数量是巨大的，且数据中心规模越大，需求的加速度越大。

100G 会有较长的生命力，随着 400G 的启动会逐步放缓，400G 元年启动。我们参考Facebook 基于叶脊网络架构基础的 fabric 网络架构，可以看到对于大型数据中心来说，为了实现数据中心内部东西向流量的通信，在二维叶脊架构基础上，进行了三维拓展，实现了一个立体的结构，使得整个数据中心的拓展延申性得到了维度级的提高。通过fabric 架构，Facebook 可以从容的应对整个数据中心内部东西向流量的爆发带来的通信难题，通过构建了一个互通性极强的立体结构，既保证了数据中心东西向数据通信的畅通，又保证了其大型数据中心规模的可拓展性，使得整个数据中心更具生命力。

2.2 北美云厂商的资本开支见底回暖

云厂商资本开支 19Q2 实现触底反弹。从北美主要四家云厂商（facebook、亚马逊、微软、谷歌）的资本支出情况来看，2016 年整体进入同比加速增长阶段，到 2018 年 Q1 四家整体资本开支在单季度达到 157 亿美元，同比增速达到高点 115%。随后整体资本开支开始放缓，19 年 Q1 的增速同比和环比均出现下滑，达到最低点，Q2 出现增速回升。数据中心建设模式为循序渐进式，在需求的推动下，预期 400G 将会带动资本开支逐季节回升。

2.3 端口密度升级是大型数据中心必经之路

叶脊架构全连接特性要求每台叶交换机与每台脊交换机一一连接。在叶脊架构中，脊交换机之间或者叶交换机之间不需要链接同步数据（不像三层网络架构中的汇聚层交换机之间需要同步数据）。我们知道叶脊架构的初衷就是提高整个数据中心内部流量的通信效率，对于数据中心内任何两台服务器，只需要经过一台叶交换机和一台脊交换机便能实现服务器间的数据传输，大大提高了数据传输的效率。每个叶交换机的上行链路数等于脊交换机数量，同样的每个脊交换机的下行链路数等于叶交换机的数量，脊交换机和叶交换机之间以 full-mesh 方式连接，即每台叶交换机与每台脊交换机一一连接。

光端口升级是大型数据中心必经之路。随着数据流量的爆发，云厂商数据中心的扩建和升级需求是显而易见的。目前以云厂商为主的大型和超大型数据中心都已采用叶脊架构，对于叶脊架构而言，为了实现总带宽的升级，只通过提高端口的数量而不升级端口带宽的方法来实现升级并不是理想的方案。大型数据中心由于规模大、机柜量多，日常的运维管理维护的难度更大，对数据中心的结构和布线等要求更高。

同时大型云厂商的用户数量巨大，流量的增速更快，云厂商对数据中心的扩展性要求更高。仅通过提高端口数量的做法，会使得整个数据中心结构迅速复杂化，对运维管理的要求更高，且结构的复杂使得后续在同样端口密度下扩展的空间更小，后续若要继续升级依然只能选择光端口升级的方法来实现，是大型数据中心绕不过的核心点。

目前来看，北美主流云计算公司对于下一代产品升级的技术路线尚未形成统一，亚马逊主张使用的是 4x100G DR4，谷歌将由 100G 升到 200G 转换至 2x200G 模块的形式，主要使用 2x200G SR8 和 FR8 光模块，Facebook 则基于其新型 F16 架构使用 100G 光模块实现带宽升级，并计划进一步升级到 200G，微软则更多考虑 400G ZR 可用于长距离互连区域性数据中心之后，再在数据中心内部署 400G，实现跨区域数据中心的超高速数据互通。

3. 400G 数通设备——数据密度革命之主战场

交换机芯片发展顺利，各大厂商陆续推出 400G 交换机。用于交换机的 56G PAM-4ASIC(专用集成电路)芯片在不断发展的过程中功能日益强大，这些新型的 ASIC 可以提供 12.8Tbps 的带宽，从而使得下一代交换机可提供 32 个 400 Gbps 的端口。从时间线上看，Juniper 在 2018 年 7 月宣布计划将 400G 创新成果注入到 PTX IP 传输系列，QFX数据中心系列和 MX WAN 系列的交换机中。2018 年 10 月，思科加入了 400G 行列中，宣布面向超大规模云提供商，大型企业数据中心和电信提供商，提供 400G 交换机。思科为网络用户推出两款新的 Nexus 3400-S 固定交换机，并为其大型企业和服务提供商常用的应用中心基础设施（ACI）架构推出两款新的 Nexus 9000 交换机，这四个交换机都向后兼容 Cisco 的 100G 平台。同样在 18 年 10 月，Arista 公布了一条支持 400G 的新型交换机产品线，新的 400G 固定系统主要针对的是超大规模云和数据中心网络，这些网络需要更多带宽用于人工智能（AI），机器学习和无服务器计算等技术。Arista 7060X4系列还包括可为 100G 端口提供向后兼容性的光学器件。这使得客户可以灵活地构建高密度叶脊网络，包括与服务器的 100G 连接和叶脊结构中的 400G 连接。

RG-N18000-X 系列交换机采用先进的硬件架构设计，是目前业界顶级配置的核心交换机之一。其采用先进的 CLOS 直接正交交换架构，单机箱最大可支持 576 个 100GE、576个 40GE、2304 个 25GE、2304 个 10GE 全线速接口，未来还将支持单卡 36 个 400GE接口、单机箱最大支持 576 个 400GE 全线速接口。RG-N18000-X 系列提供 RG-N10006-X、RG-N18010-X、RG-N18018-X 三个产品形态，可以根据业务需要部署在互联网数据中心和园区数据中心的场景。

数据中心光模块需求企稳回升。根据 LightCounting 最新的研报数据显示，光模块厂商无需担心主要云数据中心运营商需求的长期前景，明年就会看到需求恢复增长，且接下来的未来几年都回保持高速增长，需求的主力来自 100GbE DR1，200GbE，2x200GbE和 400GbE DR4。这与我们上文中云厂商资本开支分析结果趋于一致。

中国的云市场保持高速增长。2018 年我国云计算整体市场规模达 962.8 亿元，增速39.2%。其中，公有云市场规模达到 437 亿元，相比 2017 年增长 65.2%，预计 2019-2022 年仍将处于快速增长阶段，到 2022 年市场规模将达到 1731 亿元。私有云市场规模达 525 亿元，较 2017 年增长 23.1%，预计未来几年将保持稳定增长，到 2022 年市场规模将达到 1172 亿元。

以上两个主要技术点解决办法通常是通过掺杂引入发光体、石墨烯等纳米材料，将能量引入发光体或改进其面临的缺点使其发光，以提高发光效率。

高速 PCB 板主要应用在服务器、交换机、光模块和传输网络等方面，其中服务器对于高速 PCB 板的需求量最大。大型数据中心能容纳的服务器数量是数十万级别的，流量的爆发也会提升数据中心服务器的需求，而下一代服务器陆续将会使用高速多层 PCB 板。在单路、双路服务器上 PCB 板一般在 4-8 层之间，而 4 路、8 路等高端服务器主板要求 16层以上，背板要求则在 20 层以上。服务器出货量有望继续稳定出量，利好布局高速 PCB板的相关公司。

7. 投资建议