以太网交换芯片专题报告:AI爆发叠加国产突破

ittbank 2024-05-13 17:41

(报告出品方/作者:中信证券,黄亚元)

交换芯片详解:交换机核心部件,承担转发功能

交换机:数字经济核心底座

交换机是一种用于电(光)信号转发的网络设备,通过为接入交换机的任意两个网络 节点提供独享的电信号通路,从而转发数据包。当交换机接收到一个数据包时,它会读取 数据包的目标 MAC 地址,然后将数据包转发到目标设备的端口上。目前业内主流交换机 为以太网交换机。

交换机的主要应用场景包括:数据中心网络、工业互联网等各类网络环境,是我国数 字经济网络的重要基建。随着我国“十四五”规划纲要从现代化、数字化、绿色化方面对 加快新型网络基建提出了方针指引,我们认为未来以交换机等网络设施为代表的数字基础 设施将持续受益于我国数字经济发展。

交换芯片:交换机核心部件,承担数据转发功能

交换机内部硬件包含 PCB 板、主芯片、辅助芯片、存储器件、散热器、电源模块、 接口/端口子系统等,其中主芯片包括交换芯片、PHY 芯片、CPU,辅助芯片则包括其他 数字芯片、电源芯片、信号链芯片等。交换机的信号转发主要通过主芯片完成:外部模拟 信号通过线缆接入交换机端口,在内部 CPU 的指令调度下,由 PHY(物理层)芯片将模拟信号转化为数字信号并将传输给交换芯片,之后由交换芯片进行数字信号的安检、调度 及转发,最后再次由 PHY 芯片将信号转化为模拟信号,通过端口输出。其余辅助芯片及 器件则主要支持零部件之间的连接、信号转发所需的电力能量、散热等。以太网交换芯片承担交换机核心转发功能,决定核心性能指标。交换芯片专门用于数 据包的预处理以及转发,其通过专用的PCIE线与CPU相连,接收中央处理器的调用指令, 完成数据转发。交换机的主要功能是提供子网内的高性能交换、低延时交换,因此直接决 定了整机的交换容量、端口速率等重要性能指标。

技术演进:交换芯片当前最高转发速率达 51.2T

以太网技术演进

以太网交换芯片的起源最早可以追溯到上世纪 70 年代以太网的诞生。ALOHA 协议为 实现夏威夷群岛之间“一点到多点”的目的而设计的通信协议,其本质是“无线电信道冲 突域协商机制”。1973 年 5 月 22 日,世界上第一个个人计算机局域网络 ALTO ALOHA 网 络运转,标志着以太网正式诞生。

1975 年 7 月,具划时代意义的 Ethernet I 协议发布,包括了将时钟脉冲作为与 Main Memory 进行数据交换的信号,现如今很多相关技术名词均出自该协议,如 Ethernet、 Interface cable(接口表)等等。1980 年 9 月,以太网通用标准 ETHE80 正式出台,同年第一代以太网技术 DIX 1.0 被研发问世,之后修改为 DIX 2.0,即 IEEE 802.3 标准基础规约。1995 年发布的“802.3u 100Mbps 以太网标准”也称 Fast Ethernet,标志着业界进入 100M 快速以太网时代。21 世纪以太网的应用范围进一步拓展,2010 年 IEEE 发布 40G 和 100G 的 802.3ba 标准,分别用于大规模数据中心/超级计算机和数据中心互联/骨干网络;2017 年 IEEE 发布 200G 和 400G 802.3bs 标准;2022 年 12 月发布 800G 标准 P802.3df 和 1.6T 标准 P802.3dj 从而进一步提高带宽,用于云数据中心场景,P802.3dj 为目前 IEEE 发布的最高传输速率以太网标准。目前以太网技术经过了前后 50 多年探索和发展,网络传输速率不断提升,通信范围 页从局域网拓展到城域网和广域网。

交换机演进历史

随着以太网相关技术的发展,交换机产品类型也同样发展经历四代的演变。从 1989 年第一台交换机问世以来,其在端口速率和交换容量上有了快速发展和极大提升。交换机的前身是一种不能隔绝冲突扩散的物理层设备——集线器,其将多个接口和传 输线集成于一体,但当时以太网标准尚未问世,因此其网络性能因为自身属性所限而难以 提高。1989 年,美国 Kalpana 公司发明了世界上第一台以太网交换机 EtherSwitch EPS-700,该型号对外提供 7 个固定端口。交换机作为一种能隔绝冲突的二层网络设备, 极大提高了网络性能。如今的交换机早已突破旧框架,不仅能完成二层转发,也能根据 IP 地址进行三层转发,甚至还出现了工作在四层及更高层的叠加型多业务交换机。

交换机的市场参与者不断增加。1994 年,思科基于上一年并购的 Crescendo 的交换 机技术,推出了思科第一款交换机 Catalyst 1200,这款交换机支持 8 个 10M 以太网接口, 另有两个模块插槽用于上行链路,从此正式开启了全球龙头厂商交换机的争鸣时代。1997 年 12 月,华为推出第一款国产以太网交换机 Quidway S2403;2002 年 10 月,中兴通讯 推出国内第一台符合 802.3ae 标准的 10G 以太网高端路由交换机;2006 年 3 月,锐捷网 络全球首发面向 10 万兆平台设计的 RG-S8600、RG-S9600 系列。此阶段业界依旧采用 大体积硬件耦合的形式来构成交换机进行信息交换,尚无厂商推出标准清晰且可量产的交 换芯片。

2010 年博通发布业界首款可量产交换芯片后,交换机迅速腾飞。2013 年 1 月,思科 通过自研 UADP 芯片推出 Catalyst 3850 系列交换机,该机型支持 Cisco ONE 可编程网络 模型。美国后起之秀 Arista 于 2014 年推出业界首款具有 100G 上行链路的叶交换机。国 内厂商同样发展迅速,华为、锐捷网络等厂商不断推出高性能交换机产品。2019 年锐捷 网络率先在业内推出 100G 数据中心核心交换机和 25G/100G 数据中心解决方案,打开数 据中心市场。2022 年 4 月,新华三发布了业界首款 400G 园区核心交换机;2023 年 6 月, 华为推出 800GE 数据中心核心交换机 Cloud Engine 16800-X 系列,主要针对大数据、云 计算等应用场景;同月,新华三全球首发新一代数据中心交换机新品 S9827 系列,带宽达 到 51.2T,进一步助力算力释放。

交换芯片演进历史

芯片量产时代:交换机问世的 20 余年后,博通推出首个可量产的交换芯片。21 世纪 初叶,半导体材料在电子通信行业的应用快速发展,使得厂商能够把大量数据转发功能集 于一块专用集成电路上,芯片的形式开始逐渐取代大量耦合硬件。与此同时,IEEE802.3ba 的通过为交换芯片铺平了道路。2010 年,Broadcom 推出业界第一个可量产的以太网交换 芯片系列 BCM88600,交换容量达到 640G,并且开始以 2 年为周期不断推出更高性能产 品。之后美国巨头厂商美满、思科、英伟达等也相继推出以太网交换芯片产品,并优先抢 占绝大部分市场份额,成为行业绝对的领跑者;而中国厂商如华为、中兴通讯、盛科通信 虽起步较晚,但也通过攻克技术难点陆续成功研发国产以太网交换芯片。至此交换芯片进 入高速发展期,成为交换机性能迭代的第一动力及核心壁垒。

群雄逐鹿时代:2022 年 8 月,博通发布了目前业内最高端的交换芯片 Tomahawk 5, 为市面上首个量产 51.2Tbps 交换带宽的芯片,单个端口最高速率达到 800G,主要针对 超大规模企业和云构建者商用交换机和路由器芯片市场。此前英伟达于 2022 春季发布会 推出 Spectrum-4 交换机,其搭载的 AI 芯片同样为“51.2T+800G”的配置,但该芯片并 不通过量产对外出售。之后美国巨头厂商相继推出同级别性能指标的以太网交换芯片:Marvell 于 2023 年 3 月推出 Teralynx 10;思科推出 Silicon One G200/G202 系列网络芯 片;以上交换芯片均为目前业内最高性能水准。国产厂商盛科通信计划 2024 年推出 Arctic 系列,交换容量达到 25.6T,有望对标行业一线龙头。

市场规模:400 亿全球市场,自研与商用齐头并进

数字化长期向好,交换机持续快速增长

2021 年起全球以太网交换机恢复快速增长。IDC 数据显示,全球以太网交换机市场 规模 2022 年达到 3082 亿元,同比增长 17%,我们认为全球交换机行业已经逐渐走出疫 情期间上游供应链短缺的困境,市场在经历 2020 年的短暂下滑后迎来加速复苏。国内交 换机市场同样在 2021 年后开始快速增长,预计到 2025 年我国交换机市场达到 641 亿。

产品价值:交换芯片为核心器件

成本方面,芯片采购成本包括主芯片(涵盖以太网交换芯片、PHY 芯片、MAC 芯片、 CPU 芯片等)和辅助芯片(其他数字芯片、电源管理芯片、信号链芯片、功率芯片等), 主芯片承担核心功能,其采购单价远高于辅助芯片,为交换机硬件中的主要价值构成。(1)单价角度:单颗以太网交换芯片售价较高。根据盛科通信招股书,公司目前最 高端产品为 TsingMa.MX(2.4Tbps,400G)系列的芯片产品 CTC8186,其在试制阶段 的平均销售单价为 2252.33 元/颗,定价水平较高。博通 Tomahawk 系列 的 BCM56960 (2014 年,3.2Tbps,400G)目前单价为 4100 美元左右(根据经销网站 Avnet、mouser electronic 的数据)。最高端的 Tomahawk 5 系列交换芯片暂无公开售价。(2)价值量占比角度:芯片为上游最主要原材料。根据锐捷网络招股书披露,2020 年锐捷网络芯片采购成本占原材料采购成本的 45%;根据三旺通信招股书披露,公司 20H1 所有芯片采购成本占原材料采购总额的比例为 36%。结合盛科通信招股书披露的部分交换 芯片的售价及交换机整机成本,我们粗略估算交换机内部主芯片在原材料中占比 25%~30% 左右,其中交换芯片占比 10%~15%。

市场规模持续增长,商用与自研齐头并进

市场规模稳健增长:近年来 5G 全民化、AI 兴起等浪潮使得互联网数据流量大幅增加, 推动交换芯片市场规模稳步扩张。根据灼识咨询的预测数据,2020 年全球交换芯片市场 规模约 368 亿元,预计 2025 年将达到 434 亿元,CAGR 约为 11%,其中预计商用交换芯 片占比从 50%小幅提升至 55%;中国交换芯片市场 2020 年约为 125 亿元,预计 2025 年 将达到 225 亿元,CAGR 约 13%。中国交换芯片市场规模增长显著高于全球。

以太网交换芯片按照市场角度可分为自研、商用两类。自研芯片为厂商制造后直接供 给自家交换机从而构筑传输网络,作为公司数通业务的基石,基本不对外出售,主要厂商 包括思科、华为、中兴等;商用芯片由芯片厂商制造后通过市场出售给中下游客户,主要 厂商包括博通、Marvell、盛科通信等。自研、商用两大方向各有优劣:自研芯片往往与对 应交换机配套推进研发,针对性及品牌差异化较强,而通用性及灵活性则逊于商用交换芯 片;同时自研芯片虽在市场占比低于商用芯片,但由于其一般搭载于厂商尖端产品,性能 指标往往领先于大规模商用公开芯片,对应的整机产品在公开发布后,对市场在技术方案 上有一定指导意义。因此我们认为自研、商用两大方向未来将长期共存于整体市场,且互 为补充。

竞争格局:技术壁垒高筑,海外巨头垄断

“芯片设计+客户生态”双重壁垒高筑

以太网交换芯片为技术密集型行业,存在“芯片设计+客户认证”双重较高壁垒,一 般企业较难切入行业,具体分析如下。壁垒分析。

(1)技术壁垒:交换芯片的技术难点主要集中于设计环节,具体包括高性 能交换芯片架构设计、高密度端口设计、针对不同应用场景的流水线设计,并研发配套的 SDK 软件接口。以高性能架构设计为例,难点在于如何设计合理的流量管理模块,从而 在多个报文预处理模块同时传输数据包时,不发生互相冲突占用缓存的情况。因此自主量 产交换芯片对厂商在 ASIC 方面的验证以及测试能力要求较高。

(2)客户壁垒与生态:交换芯片下游客户主要为网络设备商,且供货型号较为固定, 客户对于交换芯片性能的高要求使得厂商需投入多年的研发及测试;此外客户收到样品后 仍需要测试、立项、软硬件整合等一系列流程以保证对应整机产品的成功运行。因此,交 换芯片厂商往往需要 5-7 年时间才能与下游形成稳定的供货关系,客户黏性较强。同理, 新的初创厂商由于供货经验及客源均不如老牌巨头,难以快速导入下游客户。

市场份额:寡头垄断,国产替代空间巨大

以太网交换芯片为技术密集型行业,壁垒较高,进入难度大,因此全球以太网交换芯 片市场集中度较高,呈现寡头垄断的市场格局。商用和自研市场分析如下。自研芯片市场:主要玩家思科、华为起步较早。中国自研交换芯片市场方面的主要玩 家为华为和思科。思科于 1995 年正式进入中国市场,凭借早期的资金及技术优势最先开 启交换芯片的自研,目前已推出用于 AI 超级计算机的 SiliconOne G200/G202 系列网络芯 片,交换容量 51.2Tbps,端口速率达到 800G;华为于 1990 年开启交换芯片自研之路, 1999 年开始自研 Solar 系列交换芯片,目前已推出 5.0 系列,如 SD5121/SD5122。根据 灼识咨询数据,2020 年中国自研以太网交换芯片市场上,华为和思科市占率分别为 88%和 11%。

商用芯片市场:博通领跑行业,替代空间大,盛科通信成为国内前五份额厂商中唯一 的国产企业。全球范围内,博通、Marvell 为绝对龙头,根据 650 Group 的数据,20Q4 博通、Marvell 合计占据全球商用交换芯片 99%的份额。根据灼识咨询的数据,2020 年中 国商用以太网交换芯片市场中盛科通信市占率为 1.6%,全球第四,国内第一,我们根据 盛科通信 2022 年营收结构,估算 2022 年其国内市占率上升至 5%;2020 年中国万兆以 上商用以太网交换芯片市场中,盛科通信市占率 2.3%,全球第四,国内第一,国内市场 替代空间巨大。

海外龙头布局较早,国内加速追赶

海外龙头如博通、Marvell、思科等凭借其体量积累的技术和资金优势,较早开启交换 芯片的布局,国产企业如盛科通信相较于行业全球龙头博通、Marvell 等,产品线覆盖领 域、最高端产品指标方面仍有差距,暂时落后于行业龙头。

博通:全球商用交换芯片龙头

公司深耕交换芯片 13 年,拥有 Tomahawk、Trident、Jericho 三大系列交换芯片,分 别应用于高、中、低端场景需求,主要发展高端产品线,主要应用于数据中心网络和运营 商网络,在高端领域占据较高市场份额。Tomahawk 系列具有带宽较高,适用于超大规模 数据中心,产品以 2 年为周期不断迭代升级;Trident 系列具有多功能特点,带宽相较 Tomahawk 稍低,多用于企业和云;Jericho 系列带宽较低,主要面向服务提供商。2022 年 8 月博通发布了 Tomahawk 5 系列网络芯片,这是市面上首个可量产的 51.2Tbps 带宽的交换芯片,主要针对超大规模企业和云构建者商用交换机和路由器芯片 市场。Tomahawk 5 带宽达到 51.2T,可支撑 64 个 800 G 的端口或 128 个 400 G 端口, 数据交换性能是 Tomahawk 4 的两倍。Tomahawk 5 采用 5 nm 制程,可以支持传统的可 插拔光模块,也可以选择 CPO(光电共封装技术)来减少光模块和交换芯片间的距离,提 高传输效率。

Marvell:交换芯片领先

公司主打 Teralynx、Prestera 两条旗舰产品线,Prestera 面向企业与边缘数据中心 市场,Teralynx 则面向云端数据中心。2021 年 10 月公司收购 Innovium,其主营业务为 面向数据中心的以太网生产交换机 ASIC,该收购助力 Marvell 补充其数据中心产品组合, 为其云客户提供服务,进一步加强公司在网络交换芯片领域的优势。

Marvell 同样于 2023 年 3 月推出了一款号称“业界延迟最低”的可编程交换机芯片 Teralynx 10。这是一款专为 800G 时代设计的 51.2Tbps 交换机芯片,专门解决运营商超 高带宽的问题,可应用于数据中心网络中的叶脊交换机,满足高性能计算的需求。Teralynx 10 单芯片尺寸为 93X93 mm, 输入/输出数量为 8855, 并使用业界最新 Low Dk/Df 材料设 计 PCB 板材。

英伟达:加快交换机研发,适配 AI 需求

英伟达在交换机领域同时布局 Ethernet 和 InfiniBand 两大技术方案。公司针对 IB 方案推出 Nvidia Quantum 交换机产品,可提供海量吞吐以及出色的网络计算能力,面向 高性能计算、AI 等场景,其中高端 QM9700 系列交换容量达到 51.2T,单端口容量达到 400G;针对以太网方案,Nvidia 于 2022 年春季发布会推出了 Spectrum-X 以太网交换平 台,其中核心组成 Spectrum-4 交换机可为大规模云计算、企业人工智能、模拟仿真提供 性能更优化的端到端以太网网络平台,实现大规模、高性能、模拟仿真功能,完美契合数 据中心需求。Spectrum-4 交换机搭载的交换芯片容量 51.2Tbps,端口速率 800G,专门 为 AI 设计研发,该芯片基于 4nm 制程工艺,内部含有超过 100 亿个晶体管以及简化的收发器设计,功率约为 500W。

思科:全球交换机龙头,自研芯片领先

Cisco 是交换机行业的全球霸主,市占率超过 40%为全球第一,较早开启交换芯片的 自研之路。思科 1999 年收购半导体公司 StratumOne Communications,之后通过多次收 购半导体相关公司,积累了丰富的人才和技术资源。2019 年 12 月,思科首次推出了 Silicon One 芯片架构,当时称其规划是为“未来网络奠定通用基础”,该芯片应用场景包括模块 化系统、中央系统等。

Cisco 于 2023 年 6 月推出了用于 AI 超级计算机的 SiliconOne G200/G202 系列网 络芯片:G200 交换容量 51.2Tbps,端口达到 800G;G202 特性与 G200 完全一致,但 交换性能只有 G200 的一半。G200 采用 5nm 制程工艺,可控性强,且具有可编程特性, 大大增加了使用场景的灵活性。

盛科通信:国内商用交换芯片龙头

产品线覆盖:公司目前主要以太网交换芯片产品覆盖 100Gbps~2.4Tbps 交换容量及 100M~400G 的端口速率,在企业网络、运营商网络、数据中心网络和工业网络得到了规 模应用。目前公司相较于行业全球龙头博通、Marvell 等,产品线覆盖领域、最高端产品 指标方面仍有一定差距,尚未实现 HPC 及超大规模数据中心的场景覆盖,暂时落后。

最高交换容量芯片对比:在数据中心领域,盛科通信已推出 TsingMa.MX(交换容量 2.4Tbps)、GoldenGate(交换容量 1.2Tbps)等系列,且均已导入国内主流网络设备商并 实现规模量产。目前公司的面向超大数据中心的高性能交换产品 Arctic 系列尚在试生产 阶段,最高交换容量达到 25.6Tbps,我们预计将在 2024-2025 年推出。

行业趋势:AI 驱动交换芯片高速化,国产替代加速

AI 驱动高速率交换芯片逐渐成为主流

近年来 AI、云计算等技术产业的发展,驱动相关行业数据量快速增长的同时,对于通 信网络提出了新的挑战。AI 模型通常是采用分布式训练的方式进行计算,分布式训练需要 多台主机之间同步参数、梯度,以及中间变量。对于大模型,单次的参数同步量一般都在 百 MB~GB 的量级,参数量巨大。

考虑到大模型巨大的数据量,除了“高带宽”,大模型训练还对于网络提出了“低延 时”的需求。大模型训练一般会将数据并行、流水线并行、张量并行等多种并行模式混合 使用,以充分利用集群的算力。然而所有的并行模式都会涉及“All Reduce”集合通信。多个“All Reduce”需要完成每一个点对点通信,因此集合通信存在“木桶效应”,完成时 间由其中最慢的一段通信时间决定。任何一条链路的负载出现不均匀的情况,都会导致网 络拥塞,大幅增加时延,严重影响训练效率。

RDMA 时延更低并提供更高带宽,成为破局关键技术。传统 TCP 网络因为主机侧协 议栈开销大,无法充分利用网络带宽。RDMA 通信技术通过网卡硬件实现通信控制,绕过 了主机侧协议栈,让一台主机可以直接访问另外一台主机的内存,可以将用户应用数据直 接传入服务器存储区,因此既避免了协议栈内存拷贝,又节约了 CPU 的开销。RDMA 通 信相比 TCP 可降低通信时延,且数据吞吐量更大,契合大模型 GPU 训练的场景。目前实 现 RDMA 技术主要有 InfiniBand 和 RoCEv2 两种方案,均可显著降低端到端时延。

RDMA 技术带来的高带宽驱动交换机高速化。RDMA 技术让一台主机可以直接访问 另外一台主机的内存,消除了外部存储器复制和上下文切换的开销,因而能解放内存带宽, 使单位时间内网络可传输的数据量大幅增加。更多可传输的数据量推动了业界对于交换机 “高速化”的需求,例如新华三推出了支持 RoCE 的以太网交换机,交换机的端口从 100G 向着 400G 演进。

高速率交换机出货量逐步上升。根据 IDC 的数据,全球及中国交换机市场中,速率 100M 以下的低速率端口将在 2024 年后逐步退出市场,千兆端口依旧为市场主流,而 10G 以上速率端口出货量将逐步上升。

高速率交换芯片需求激增:交换芯片直接决定整机的交换容量、端口速率等核心性能 指标,“高速化”的市场需求趋势与交换机相似。中国商用交换芯片市场中,100G 及以上 的以太网交换芯片需求逐渐增多。根据灼识咨询的数据,预计至 2025 年,100G 及以上 的中国商用以太网交换芯片市场规模将大幅增长,占比将分别达到 44.2%。

“UEC”成立,多家巨头拥抱开放式以太网

随着 AI 和高性能计算工作负载的快速发展,传统以太网在提供智算网络互连上存在较 多的局限性,而目前超级计算领域主流之一的 Infiniband 技术,因为历史演进原因变成封 闭技术,无法充分利用当前繁荣的以太网生态。因此以太网技术的进一步演进成为必然。2023 年 7 月,由 Linux 基金会主办的超以太网联盟 (Ultra Ethernet Consortium, UEC)正式成立,旨在超越现有的以太网功能。UEC 的创始成员包括 AMD、Arista、博通、 思科、Eviden、HPE、Intel、Meta 和微软,都拥有数十年的网络、人工智能、云和高性 能计算大规模部署经验。

2023 年 11 月 21 日,超以太网联盟迎来新成员,包括阿里云、百度、字节跳动、戴 尔、华为、Juniper Networks、Marvell、新华三、诺基亚、腾讯等 27 家公司。

UEC 致力于打造一个与超级计算互连一样高性能、与以太网一样普遍且经济高效、 与云数据中心一样可扩展的“新以太网”。UEC 基于当前以太网的开放、可互操作、高性 能的通信架构,提供针对高性能计算和人工智能进行优化的高性能、分布式和无损的传输 层协议,满足 HPC 和 AI 分布式计算的高带宽和低延迟需求,提供最佳网络利用率。预计 UEC 未来将会从四个纬度进行现有以太网技术的演进开发。(1)物理层:制定 增强以太网物理层、底层介质和物理层客户端(链路层)的性能、延迟和管理的规范。(2) 链路层:开发增强以太网链路层性能、延迟和管理的规范。(3)传输层:制定 AI/HPC 传 输规范,增强以太网的吞吐量、延迟、可扩展性和管理。(4)软件层:为各种 AI/HPC 用例或应用程序开发规范和/或软件 API 和/或开源代码。范围包括但不限于:远程内存访问 优化、网络计算(INC)以及安全、管理和存储。2023 年 8 月,在 IEEE Hot Interconnects(HOTI,关注先进的硬件和软件架构、各 种互连网络实现)国际论坛上,Intel、Nvidia、AMD 等巨头进行了“EtherNET or EtherNOT ” 的讨论,多家厂商坚定看好以太网方案。我们认为在未来很长一段时间内,以太网凭借其 通用性及开放性,仍会占据市场主导地位。

英特尔看好以太网的“开放性”

英特尔高级研究员、网络和边缘组首席硬件架构师 Brad Burres 在 2023 HOTI 会议 的讨论中明显偏向于 EtherNET。Brad Burres 认为,无论采用何种技术,都需要一个开放 的生态系统来降低整个行业的成本,并实现所需的软件基础设施。而随着协议的成熟,除 非另一个开放的标准结构立即出现,否则以太网将成为赢家。

AMD 认为“Ethernet is the answer”

与英特尔相似,AMD 同样更看好以太网方案。AMD 数据中心 GPU 系统架构师 Frank Helms 在 2023 HOTI 会议上列举了全球超级计算机 TOP500 榜单中第一名 Frontier、第二 名 Aurora 和第五名 LUMI,它们都基于以太网的 HPE Cray Slingshot-11 网络结构进行连 接。AMD 坚信“Ethernet is the answer”。2023 年 12 月 7 日,AdvancingAI 发布会在 美国加州圣何塞举行,会上 AMD 正式发布了其最新一代 AI 产品 MI 300A 与 MI 300X, 直接对标英伟达之前推出的 H100。此外 AMD 发言称“Ethernet is the answer”,坚信以 太网拥有更好的性能以及更好的大规模集群能力,在网络开放性上远胜其他方案。

Oracle 全面拥抱以太网

Oracle 坚决使用以太网而非 IB。Oracle 云基础设施 (OCI) 利用 Nvidia GPU 和 ConnectX NIC 构建基于 ROCEv2 RDMA 的超级集群。OCI 构建了一个独立的 RDMA 网络,并针对 AI 和 HPC 工作负载进行了微调的自定义配置文件。

交换芯片国产替代加速

我们看好在数字经济政策不断落地、AI 产业爆发的背景下,国产厂商进一步抢占以太 网交换芯片的市场份额,加速国产替代。主要逻辑如下:

(1) 国内交换芯片厂商均为以太网组网路线,契合国内主要需求。目前业内交换 机主要分为以太网交换机和 IB 交换机两种。以太网组网诞生伊始仅仅是为了 追求夏威夷群岛上多系统的信息互通,其优势在于考虑到 lossy 有损网络的丢 包情况,容错率更高;但同时这种允许丢包的 lossy 机制难以支持超算数据中 心。而 IB 组网最初就是为了消除 HPC 场景下集群数据传输的瓶颈,用的是端到端的 lossless 的无损方案,更加适合如今的超算中心;但其网络部署成 本高于以太网且应用场景的通用性较低。上世纪 90 年代起 IB 与以太网就已 经开始互相竞争,最终以太网凭借着通用性和灵活性成为市场的主导,到2019 年英伟达收购 Mellanox 之时,Mellanox 就本已经是市面上仅剩的 InfiniBand 通讯产品主要供应商了。目前仅有部分海外云厂商布局 IB 交换机,以英伟达 为主导;而思科、arista 等交换机巨头自建立之初便坚定聚焦以太网方案。国 内厂商则由于以太网交换机的通用性较高及成本相对较低,聚焦于以太网交 换机。国产厂商如盛科通信等均生产以太网交换芯片,因此本土产品与国内 需求相契合。

(2) 本土厂商主导交换机市场,供应链安全可控需求迫在眉睫。与交换芯片的海 外巨头垄断格局不同,我国交换机市场中本土厂商市占率较高。根据 IDC 数 据统计,2022 年中国交换机市场由华为、新华三、锐捷、思科、中兴通讯等 龙头厂商占据 90%以上的主要份额。华为、思科、中兴通讯以自研芯片为主, 其中中兴通讯较早成立中兴微电子启动自研之路,不断加大自研投入和比例, 于 2011 年推出第一代自研交换网套片,目前已完成最新一代交换套片 SA2/SF2 的研发,进一步夯实数据产品发展的基石;而新华三、锐捷网络产 品所用交换 芯片 均以 外采 为主 。根据锐捷网络招股书,锐捷网络在 2019~2022H1 期间,接入交换机、汇聚交换机大约 50%使用国产芯片,核心 交换机芯片则基本以国外厂商供应为主。交换机作为我国企业网、数据中心 等各类网络环境中的核心设备,其质量性能及可靠程度直接影响整体网络环 境的安全性,因此整机厂商选择自主可控的国产零部件供应商成为重中之重。我们认为未来国产交换机厂商将逐渐加速导入本土交换芯片,确保下游网络 应用的安全可控。

(3) 我国网络芯片自给率仍需进一步提升。我国作为全球核心的半导体芯片消费 国家,芯片对外依存度高,高端芯片严重依赖进口,芯片自给率较低。根据 IC insights 的数据显示,2015 年以来我国芯片自给率从 15.9%提升至 17%, 但总体仍处于较低水平;同时根据前瞻产业研究院的测算显示,2019 年我国 核心网络设备芯片自给率低于 20%,仍需进一步提升。

综上所述,我们认为目前市占率较低的国产厂商有望进一步抢占市场份额,加速国产 替代。建议关注自研、商用两条主线,推荐近年来产品突破较快的行业龙头。

商用芯片:盛科通信多款芯片量产,25.6T 交换芯片在研

盛科通信是国内以太网交换芯片龙头,主营业务为以太网交换芯片及 配套产品的研发、设计和销售。公司创立于 2005 年,于 2019 年进入高速成长期,并于 2023 年 9 月成功上市。目前公司为国内唯一能够量产以太网交换芯片的上市公司,多款产品获得中国电子学会“国际先进、部分国际领先”科技成果鉴定,为我国数字化网络建 设提供了丰富的芯片解决方案。公司主打以太网交换芯片产品,交换机、解决方案为辅。

公司治理:中国电子控股,核心技术团队经验丰富。中国电子直接持有公司 7.41%股 份,并通过其全资子公司持有中国振华 54.08%的股权;中国振华持有盛科 21.26%的股 份,因此中国电子合计控股约 20.5%,为公司第一大股东。公司具备经验丰富的高层次人 才梯队,涵盖了技术研发、市场销售、生产运营、财务管理等各个方面。总经理孙剑勇本 科毕业于清华大学电机系,研究生毕业于美国德克萨斯州大学机电系,曾任美国思科高级 工程师;副总经理郑晓阳毕业于浙江大学电机系、美国 CLEMSON 大学电机系,曾任美 国思科高级工程师。截至 2022 年 12 月 31 日,公司 460 名员工中研发人员达到 341 名, 占比 74.13% 。研发人员中有 158 名拥有硕士及以上学历福公司拥有由多名行业内专家组 成的核心技术团队,核心技术人员均拥有 15 年以上集成电路设计经验。

稳 步 推 进 芯 片 研发 , 积极 拓 展 商 用 场 景 :公 司的 以太 网交 换芯 片主 要覆盖 100Gbps~2.4Tbps 交换容量及 100M~400G 的端口速率。中端产品方面,公司于 2015 年 推出 GoldenGate 系列,交换容量 1.2Tbps,交换容量、端口能力、特性均处于推出时国 际先进水平。2019 年推出的 TsingMa 系列已处于量产阶段,交换容量领先于中等密度 10G 级别竞品,特性、本土化需求多个维度均具备较强优势,在 5G 承载接入、数据中心管理 交换机等新兴领域实现广泛应用。数据中心网络方面,目前产品仅覆盖中小规模数据中心, 12.8Tbps 及以上交换容量面向超大规模数据中心的高性能交换产品尚在研发阶段,路由 交换融合产品仍在布局阶段。目前公司正积极拓宽产品矩阵,未来有望在高中低端产品实 现全方位覆盖。

在研高端产品对标全球龙头:公司以太网交换芯片产品中,TsingMa.MX 系列交换容 量达到 2.4Tbps,支持 400G 端口速率,支持 5G 承载特性和数据中心特性。GoldenGate 系列芯片交换容量达到 1.2Tbps,支持 100G 端口速率,支持可视化和无损网络特性。TsingMa 系列芯片集成高性能 CPU,为企业提供安全、可靠的网络,并面向边缘计算提 供可编程隧道、安全互联等特性。公司预计 2024 年推出 Arctic 系列,交换容量最高达 到 25.6Tbps,支持最大端口速率 800G,面向超大规模数据中心。目前,行业领先厂商博 通、Marvell 面向超大规模数据中心的以太网交换芯片的交换容量已达到 51.2Tbps,最大 端口速率达到 1600G。

优质客户集中度高,粘性强:公司与国内主流通信和信息技术厂商等建立了长期、稳 定的合作伙伴关系。2020-2022 年公司前五大客户相对稳定,收入占比分别为 56.65% /68.87%/74.97%,集中度逐渐提高,其中迈普通信+中电港(实控人:中国电子)、苏州斯 维通、武汉蓝途始终为公司前五大客户,占比较高,份额较为稳定。公司高端产品 TsingMa.MX 系列的主要客户包括中电港(主要终端客户为新华三)、斯维通(主要终端 客户为锐捷网络)、迈普通信等。

财务状况速览:营业收入大幅上涨,在 2019-2022 年间,盛科通信积极开展业务、扩 大市场份额,营业收入高速增长,从 1.92 亿元上升至 7.68 亿元,2023 年前三季度营收 8.77 亿元,同比+58.72%。净利润扭亏为盈:公司所处的集成电路为技术密集型行业,盛 科通信为保持产品竞争力,前期研发投入较高,2023 年前三季度扭亏为盈,盈利 0.43 亿 元。

自研芯片:中兴通讯十年磨剑,初露锋芒

中兴通讯是全球领先的综合通信信息解决方案提供商,成立于 1985 年,致力于为全球电信运营商、政企客户及个人消费者提供创新的技术与产品 解决方案。坚持长期投入,掌控底层核心技术。中兴通讯最早于上世纪 90 年代开启芯片自研之 路,之后于 2003 年成立全资子公司中兴微电子,主要负责通信核心技术的研发。在芯片 领域,公司具有近 30 年研发积累,通过在无线网、有线网、数通设备等领域持续推动核 心芯片自研,构建全栈算网底座。2008 年中兴通讯启动交换网芯片的自研并于 2011 年成 功推出第一代自研交换网套片,并迅速在路由器等产品上成功应用。随后的几年,中兴通讯持续改进交换网技术,紧跟工艺革新的节奏,以 3 年一代的速度进行交换网芯片的更新 换代,以最快的速度,和客户共享工艺红利。2018 年中兴通讯推出交换容量 9Tbps 的第 四代自研交换网芯片,达到业界一流水平。2020 年,中兴通讯启动第五代自研交换网芯 片的研发。

当前,中兴通讯打造新一代基于自主研发核心器件和软件平台的交换机。公司的 ZXR10 9900X 系列核心交换机,具备大容量、高性能、高可靠的性能特点,面向云计算 虚拟化的数据中心网络,提供超大的交换容量和高密度的 10GE、40GE、100GE 接口。此外,公司的交换机如 ZXR10 S600E 搭载了 CLOS 架构交换芯片,实现无阻塞信元交换 和快速、灵活业务适配能力,同时系统提供高密度全线速的千兆、万兆、100GE 端口业务 板卡,从而满足用户多层次的链路带宽需求。

财务情况速览:2018~2022 年中兴通讯财务状况良好,营收稳健增长,分别为 855/907 /1015/1145/1230 亿元;2018 年经历美国制裁风波后净利润迅速实现扭亏为盈,最近三年 归母净利润分别为 43/68/81 亿元。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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