研判2025年！全球及中國光交換機行業(yè)市場動態(tài)、應用現狀及研發(fā)方向分析：光交換機在數據中心應用前景廣闊[圖]

內容概要：光路交換機（OCS）不同于傳統(tǒng)交換機，可直接進行光路交換，無需做光電轉換。OCS的設計理念是光纖信號進入交換機后，不再進行光電轉換，而是通過光信號的波分復用、交叉連接等進行轉發(fā)等操作，光電轉換在服務器端進行；同時配合3D環(huán)狀的網絡拓撲結構，OCS有效降低了通信硬件成本和功耗。根據實現技術的不同，光交換技術一般可分為MEMS技術、數字液晶DLC技術、直接光束偏轉 DLBS技術。OCS技術近年來因谷歌的推動而備受關注，在數據中心中的應用逐漸增多。為了支持 AI 訓練等大規(guī)模計算，谷歌陸續(xù)研發(fā)了TPUv4和TPUv5 等多代基于 OCS 可重構網絡的超級計算機。谷歌證明了在數據中心網絡中大規(guī)模部署 OCS 的可行性和優(yōu)勢。通過在基于 MEMS 的交換、定制收發(fā)器和網絡架構方面的創(chuàng)新，谷歌提供了靈活、低功耗和高性價比的連接解決方案。隨著數據中心帶寬需求在 ML 和云計算的推動下不斷增長，OCS 技術將在擴展和優(yōu)化這些網絡方面發(fā)揮越來越重要的作用。近幾年，光交換機需求增長，2023年全球光交換機出貨量達1萬臺，2024年出貨量約1.3萬臺。光交換機技術應用前景廣闊，但仍面臨一些技術挑戰(zhàn)和發(fā)展瓶頸。未來隨著企業(yè)不斷加強技術研發(fā)，光交換機性能將進一步提升，制造和部署成本有望下降，為大規(guī)模應用夯實基礎。

上市企業(yè)：銳捷網絡（301165）、中興通訊（000063）、紫光股份（000938）、光迅科技（002281）、凌云光（688400）、騰景科技（688195）、太辰光(300570)、中際旭創(chuàng)（300308）

相關企業(yè)：華為技術有限公司、銳捷網絡股份有限公司、新華三技術有限公司、中興通訊股份有限公司、騰景科技股份有限公司、武漢光迅科技股份有限公司、廣東賽微微電子股份有限公司、蘇州盛科通信股份有限公司、廣東億源通科技股份有限公司、凌云光技術股份有限公司

關鍵詞：光交換機、交換機、數據中心、AI數據中心

一、光交換機相關概述

光路交換機（OCS）不同于傳統(tǒng)交換機，可直接進行光路交換，無需做光電轉換。OCS的設計理念是光纖信號進入交換機后，不再進行光電轉換，而是通過光信號的波分復用、交叉連接等進行轉發(fā)等操作，光電轉換在服務器端進行；同時配合3D環(huán)狀的網絡拓撲結構，OCS有效降低了通信硬件成本和功耗。光交換的主要性能指標包括：切換速度、插入損耗、回波損耗、耐用性和可靠性等。

根據實現技術的不同，光交換技術一般可分為MEMS技術、數字液晶DLC技術、直接光束偏轉 DLBS技術。MEMS 光交換由輸入光纖準直器陣列、輸入 MEMS 微鏡陣列，輸出 MEMS 微鏡陣列、輸出光纖準直器陣列及配套驅動、控制軟硬件構成。數字液晶光交換構成與關鍵部件功能包括：光纖準直器陣列FAU（提供 N*N 端口信號光的輸入與輸出）、偏振處理模塊（對入射光進行 S 偏振與 P 偏振的分束與合束），LCLM 液晶光模塊陣列（LC可調延遲器與雙折射晶體光楔的組合經過多層級聯(lián)而成，實現N*N信號光偏轉）。直接光束偏轉光交換是將光纖準直器直接固定在壓電陶瓷驅動器上，每個準直器尾部與壓電陶瓷相連，排列成二維準直器陣列，將兩個二維準直器陣列面對面放置，構成光開關矩陣，利用壓電陶瓷機電耦合效應，驅動準直器位移與角度傾斜，使兩陣列對應端口匹配對準，完成通道連接，實現光交換功能。

相關報告：智研咨詢發(fā)布的《2025年中國光交換機行業(yè)市場發(fā)展態(tài)勢及產業(yè)需求研判報告》

二、光交換機發(fā)展現狀

OCS技術近年來因谷歌的推動而備受關注，在數據中心中的應用逐漸增多。傳統(tǒng)數據中心的流量主要是出入數據中心的流量，稱為南北向流量。即使網絡層之間的收斂比很高，傳統(tǒng)的樹形拓撲也能滿足這些流量需求。如果需要增加帶寬，可以通過升級設備或使用更高端口密度的設備來實現。如今，許多大型數據中心處理大量服務器間的流量，稱為東西向流量，這些流量不會離開數據中心。例如，一些應用需要在集群間復制大量數據，或進行虛擬機遷移。由于物理限制（如交換機端口密度低），擴展傳統(tǒng)樹形拓撲來滿足帶寬需求不僅成本高昂，而且難以實現。

東西向流量的增加使得傳統(tǒng)三層數據中心架構的帶寬成為瓶頸，且服務器間的延遲會因流量路徑不同而有所變化。為了解決這些問題，提出了基于 Clos 網絡的 Spine-and-Leaf 架構。在 Clos 架構中，如下圖所示，每個Leaf 交換機都與所有Spine交換機相連，形成全網狀連接拓撲。Leaf 交換機連接服務器等設備，Spine 層則負責將所有 Leaf 交換機連接起來。當Leaf 層的接入端口和上行鏈路沒有瓶頸時，這種架構實現了無阻塞連接。在 Spine-and-Leaf 架構中，任意兩個服務器之間的連接都需要經過相同數量的設備（除非這兩個服務器在同一個Leaf 下），這使得延遲可以預測。由于東西向帶寬更高，這種架構更適合現代微服務場景。當 Spine-and-Leaf 架構中任意一層存在帶寬瓶頸時，只需添加新設備并將其與另一層的所有設備相連即可，實現了易于實施的橫向擴展。

谷歌公布的 Jupiter 項目，通過使用光交換機（OCS）實現可重構的數據中心網絡，批量部署光電混合網絡的關鍵推動因素是從Clos發(fā)展為聚合塊之間的直接連接拓撲。為此的關鍵架構變化包括：數據中心互聯(lián)層采用基于 MEMS 技術的光交換機(OCS)來實現動態(tài)拓撲重新配置、用于流量工程的集中式軟件定義網絡(SDN)控制器，以及用于增量容量交付和拓撲工程的自動化網絡操作。完全消除了Spine交換層及其相關挑戰(zhàn)，并使 Jupiter 能夠逐步整合40Gbps、100Gbps、200Gbps 和更高的網絡速度。直連架構與網絡管理、流量和拓撲工程技術相結合，使 Jupiter 能夠應對流量的不確定性、大量的結構異質性，并且不需要任何停機時間或服務流失。除了比靜態(tài)Clos 結構提高 5 倍的速度、容量和額外的靈活性外，這些變化還使架構和增量成本降低了 30%，功耗降低了 41%。

為了支持 AI 訓練等大規(guī)模計算，谷歌陸續(xù)研發(fā)了TPUv4和TPUv5 等多代基于 OCS 可重構網絡的超級計算機。TPU v4集群首次引入OCS，一個集群有64個機架，每個機架16個tray盤，每個tray盤上4個TPU，共計4096個芯片，64個機架之間通過48個OCS光交換機互聯(lián)。

新一代TPUv5將POD規(guī)模擴大了一倍，達到8960張TPU，浮點數運算性能是TPUv4的兩倍，HBM內存是TPUv4的三倍。網絡互聯(lián)上采用3D環(huán)面實現TPU之間的互聯(lián)，部署OCS的優(yōu)勢有以下幾點：（1）OCS通過繞過故障來提高可用性：在99.0%的單設備可用度時，調度2000個節(jié)點AI訓練作業(yè)，不采用OCS方案集群可用率僅為1%，采用OCS方案可以將集群可用率提高到約50%。（2）OCS縮短了部署時間：對于TPUv4，OCSes使每個機架獨立，因此每個43塊在安裝和測試64個芯片和必要的電纜后立即投入生產。增量部署大大提高了TPUv4超級計算機的生產使用時間，從而提高了成本效益。（3）OCS簡化了調度，從而提高了利用率：對于TPUv4，它可以從超級計算機的任何地方挑選四個43塊。切片甚至不需要是2的冪。（4）OCS模塊化優(yōu)勢：由于OCS可以在幾毫秒內切換電路，因此TPUv4可以輕松地更改拓撲，以匹配應用程序、節(jié)點數量和運行這些作業(yè)的系統(tǒng)。TPUv4為大多數切片大小提供了3D圓環(huán)的環(huán)繞鏈路，與網狀替代方案相比，這使重要的結合通信操作（例如，all-to-all）的平分帶寬和帶寬加倍。（5）可重構OCS拓撲提高網絡性能：用戶可以更改TPUv4拓撲以匹配所使用的并行度類型，AI訓練經常將并行類型組合起來以獲得最佳性能，例如數據加模型并行。模型并行度通常有兩個參數：寬度和長度。為了充分利用可用的帶寬，用戶沿三維環(huán)面的一個維度映射數據并行性，并在另一個維度上映射兩個模型并行參數。

引入光交換機也存在一些缺點：1）盡管全生命周期成本下降，但前期資本開支較大；2）信號插入損耗：光要多次反射折射才能到達接收端，存在信號功率損失；3）重新配置時間：光交換機的光路是提前設置好的，如果要與不同的端口通信，光開關必須重新配置這些鏡像。

三、光交換機出貨量

谷歌證明了在數據中心網絡中大規(guī)模部署 OCS 的可行性和優(yōu)勢。通過在基于 MEMS 的交換、定制收發(fā)器和網絡架構方面的創(chuàng)新，谷歌提供了靈活、低功耗和高性價比的連接解決方案。隨著數據中心帶寬需求在 ML 和云計算的推動下不斷增長，OCS 技術將在擴展和優(yōu)化這些網絡方面發(fā)揮越來越重要的作用。近幾年，光交換機需求增長，2023年全球光交換機出貨量達1萬臺，2024年出貨量約1.3萬臺。

目前國內廠商除頭部已有較少產品進入試商用式少批量試用階段，行業(yè)整體處于起步階段。2024 年 9 月，華為重磅發(fā)布數據中心全光交換機 Huawei OptiXtrans DC808，預計將于2025 年正式商用。以 400G 端口為例，相比傳統(tǒng)交換機功耗降低 98%，整網能耗降低 20%。同時發(fā)布業(yè)界首個端到端 fgOTN（細顆粒光傳送網）光傳送產品組合 Huawei OptiXtrans E6600/E9600。此外，還有紫光股份旗下新華三集團已發(fā)布 “全光網絡 3.0 解決方案”；中興通訊擁有 ZTE iCampus 行業(yè)數智全光方案。

四、光交換機研發(fā)方向

光交換機技術應用前景廣闊，但仍面臨一些技術挑戰(zhàn)和發(fā)展瓶頸。未來隨著企業(yè)不斷加強技術研發(fā)，光交換機性能將進一步提升，制造和部署成本有望下降，為大規(guī)模應用夯實基礎。同時隨著HPC和數據中心規(guī)模日益增長，對功耗、時延、可靠性等要求越來越高，光交換機技術將在數據中心網絡中發(fā)揮越來越重要的作用，為數據中心的發(fā)展提供堅實的基礎設施保障。

以上數據及信息可參考智研咨詢（elizabethfrankierollins.com）發(fā)布的《2025年中國光交換機行業(yè)市場發(fā)展態(tài)勢及產業(yè)需求研判報告》。智研咨詢是中國領先產業(yè)咨詢機構，提供深度產業(yè)研究報告、商業(yè)計劃書、可行性研究報告及定制服務等一站式產業(yè)咨詢服務。您可以關注【智研咨詢】公眾號，每天及時掌握更多行業(yè)動態(tài)。