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AI，国产突破背景下，交换芯片大有作为

背景信息（BG info）

    交换芯片升级热潮下，算力需求是技术突破的重点所在：全球背景下，迅速发展的大模型AI人工智能浪潮推动算力需求爆发，技术团队对交换机能力需求不断提高，作为交换机核心部件的交换芯片是技术突破的关键部分。随着AI，国产化不断推进，国产交换芯片的未来大有可期。

 射频滤波器定义及功能 

    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。

 01 人工智能时代，交换机重要性大为凸显

1）交换机：数字经济核心底座

政策引领：

    在我国"十四五"规划纲要的指导下，重点强调现代化、数字化和绿色化，旨在加速推进新型网络基础设施建设。据此，我们预见以交换机为代表的数字基础设施将不断从我国蓬勃发展的数字经济中获得增长动力。

        02 交换芯片是交换机技术进步的核心

2）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。

交换芯片目前最高转发速率达51.2T

3）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MainMemory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DIX1.0被研发问世，之后修改为DIX2.0,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。

4）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EtherSwitchEPS-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。

5）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。

 （1） 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

01 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。

“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

交换芯片的设计挑战：高性能架构、高密度端口与场景定制化

    交换芯片的技术难题主要出现在设计阶段，涉及高性能芯片架构的规划、实现高密度端口配置，以及根据不同应用场景定制流水线的设计。此外，开发与之配套的软件开发工具包（SDK）接口也是一项技术挑战。以高性能架构设计为例，关键难点在于开发出高效的流量管理模块，确保在多个报文预处理模块同时传输数据包时，能够避免缓存资源的冲突和占用。

    因此，对于想要自主量产交换芯片的厂商而言，必须具备强大的专用集成电路（ASIC）验证和测试能力。

2.）客户壁垒与生态

    交换芯片的主要下游客户是网络设备制造商，他们对芯片型号有特定偏好，并且对性能提出了高标准，促使芯片供应商进行持续多年的研发和测试投入。即便样品到达客户手中，还需经过一系列的评估和整合流程，包括进一步的测试、项目启动以及软硬件的集成，以确保产品可以顺利运行。

    因此，芯片厂商通常需要花费5到7年才能与客户建立稳定的供应链关系，而一旦建立，客户倾向于保持忠诚度。对于新兴的初创公司来说，缺乏成熟的供货经验和稳定的客户关系网，使得他们在快速融入市场并与成熟企业竞争时面临更大的难度。

市场分额：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。

海外行业龙头：

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。

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。

英伟达在交换机领域同时布局Ethernet和InfiniBand两大技术方案。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。

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。2019年12月，思科首次推出了SiliconOne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。

   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。

    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。

RDMA时延更低并提供更高带宽，成为破局关键技术。

    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”。

     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。

    与英特尔相似，AMD同样更看好以太网方案。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。

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。