OCS技术原理与优势 [page::0][page::2]

• OCS通过直接光信号物理路径重构，实现端到端专用光路连接，无需光电转换。

- 相比传统电交换机，OCS具备时延降低数个数量级，单端口功耗降至1W以下、协议透明及更高系统可靠性。

• 主要技术路径包括MEMS、数字液晶（DLC）和压电陶瓷光束偏转（DLBS），各自优势不同，MEMS应用较广且具良好可扩展性。

- 技术局限在于切换时间较长（几十毫秒到几百毫秒），通道灵活性不足，及高制造成本和插入损耗问题。

OCS关键技术方案对比 [page::3][page::4][page::5]

| 技术方案 | MEMS | DLC | DLBS |
|---------|------|-----|------|
| 相对成本 | 低 | 低 | 高 |
| 端口数量 | 320x320可扩展至千端口 | 300x300 | 576x576 |
| 切换时间 | 几十毫秒 | 几百毫秒 | 几毫秒 |
| 插入损耗 (dB) | ~3 | ~4 | ~2.5 |
| 驱动电压 (V) | ≈100 | ≤10 | ≈10 |

谷歌OCS应用实践与效果 [page::5][page::6][page::7]

• Apollo项目中，谷歌用OCS替代核心层/spine电交换机，连接不同代际及速率的交换模块，提升网络吞吐30%，功耗降低40%，资本开支下降30%。

• TPU v4及后续，OCS构建3D环面网络，支持4096—9216芯片大规模AI集群跨cube高效通信，动力消耗显著降低且具故障自愈能力。

OCS产业发展及市场空间 [page::9][page::10]

• OCP成立OCS子项目，推动开放标准，行业厂商广泛参与，生态持续发展。

- Lumentum、Coherent等企业已实现OCS初期收入，预期2026年收入快速增长，利润率优于公司平均。

• 预计2029年OCS市场规模将超16亿美元，受益于AI集群通信需求提升与超节点组网的推广。

产业链核心部件及风险提示 [page::11][page::12]

• 关键部件包括MEMS芯片、光环形器、滤光片、波分复用器、光纤阵列等，多个环节有望快速扩容。

- 风险点主要是技术发展不达预期、成本和切换速度难突破，以及其他交换技术如CPO的竞争压力。

中金 | AI进化论（16）：OCS，AI新型网络架构下的创新光学底座——深度分析报告解构

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一、元数据与报告概览

• 报告标题：《AI进化论（16）：OCS，AI新型网络架构下的创新光学底座》

- 作者：郑欣怡、李诗雯等，中金公司研究员团队

• 发布机构：中金公司，中金点睛平台

- 发布时间：2025年9月2日

• 主题：针对OCS（Optical Circuit Switch，光路交换机）技术及产业，尤其聚焦其在AI大规模集群及数据中心网络中的应用和市场前景，提供技术剖析、行业趋势和产业链分析。

报告核心论点：

• OCS技术作为新兴全光交换设备，具有低功耗、低时延、高兼容性等特质，逐渐成为数据中心和AI计算集群网络架构创新的重要基石。

- 谷歌等头部云厂商率先将OCS技术引入其数据中心和超级计算集群，实现网络效能提升、功耗降低和成本优化。

• OCS产业步入产业化早期阶段，多技术路线并行，产业链开始形成，部分厂商已开始产生初期营收，预计未来几年市场规模将突破10亿美元。

- 产业风险主要来自技术成熟度不足、替代技术竞争（如CPO）等方面。

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二、逐节深度解读

2.1 OCS技术原理与优势（第0-2页）

• 关键论点：

- OCS通过物理层直接建立输入/输出端口的专用光路，实现光信号的“直接光交换”，中间无需光电转换过程。
- 相较传统电交换机，OCS实现了低时延（数十纳秒vs.数百微秒）、低功耗（<1W vs. >10W单端口）、协议透明性和设备跨代兼容，提升了网络效率和可靠性。
- 技术局限包括：较长切换时间（几十毫秒）、通道资源利用率不高（因不能复用传输通道）、高初期成本和插入损耗增加。

• 支撑逻辑与依据：

- 心脏技术为3D MEMS微镜阵列，通过机械反射实现光路切换。
- 参考学术文献及谷歌等大厂报告证明时延和功耗优势。
- 由于机械偏转切换速度限制，OCS难以满足高并发随机通信需求，因此专注于周期性、可预测流量场景。

2.2 OCS技术路线及代表厂商（第3-5页）

• 三大主流技术方案：

- MEMS（微机电系统）：当前最成熟，代表厂商谷歌、Lumentum、华为。核心是微镜阵列反射控制光路，支持超大规模端口（320x320至千端口级）。欠缺快速切换且机械封装复杂。
- 数字液晶DLC：基于电光效应调制液晶分子偏转，切换时间更长（几百毫秒），适合冗余备份等切换频率低场景。代表厂商Coherent。
- 压电陶瓷驱动光束偏转DLBS：通过压电驱动精准调节光纤准直器位置，切换时延优于MEMS（几毫秒），可扩端口多，但系统复杂度和成本较高。代表厂商HUBER+SUHNER（Polatis浩信）。

• 技术方案对比表（图表5）：

| 项目 | MEMS | DLC | DLBS |
|---|---|---|---|
| 相对成本 | 低 | 低 | 高 |
| 端口规模 | ~320x320，未来扩展 | ~300x300 | ~576x576 |
| 切换时间 | 数十毫秒 | 几百毫秒 | 几毫秒 |
| 插入损耗(dB) | ~3 | ~4 | ~2.5 |
| 驱动电压(V) | ~100 | ≤10 | ~10 |

（以上数据说明MEMS方案在端口规模和成本适中方面具优势，DLBS切换快但成本高，DLC可靠但切换慢）

2.3 OCS在数据中心及AI集群中的应用案例（第5-8页）

• 谷歌Apollo项目：

- 用OCS取代数据中心传统网络架构的核心层或spine层电交换机，实现多代汇聚交换机间低成本、高效能连接。
- 成效显著：网络吞吐量提升30%，功耗减少40%，网络宕机时间缩短50倍，资本开支下降30%。
- 图表6和7详细展示了汇聚交换机与OCS连接及网络拓扑结构，为低延迟光路互联提供直观支撑。

• 谷歌TPU v4超级计算集群：

- 64个TPU芯片组成cube，64个cube之间通过48个OCS构建3D Torus物理网络，实现高效跨cube通信。
- 光电混合网络架构：cube内部使用电交换实现低延迟数据包切换，跨cube用OCS实现光路专用连接。
- OCS提升了系统可用性和能效，降低功耗3.5倍，成本仅增加约10%。
- 后续TPU v7 (Ironwood) Superpod延续3D Torus结构，规模升级至9216芯片、144 cube，需更多OCS设备支持。

• 图表8-10用多角度展现了规模、拓扑和部署细节，凸显OCS作为超级计算的“超级主干”角色。

2.4 OCS产业发展阶段与生态（第9-10页）

• 产业生态开放化标准化趋势：

- OCP2025年7月成立OCS子项目，涵盖Google、微软、英伟达、Coherent等行业巨头，推动OCS技术的标准化与协作。

• 厂商投入与商业化初现：

- 谷歌过去5年在OCS领域投入5-10亿美元。
- 华为、曦智科技联手中兴通讯推出基于MEMS的全光交换机。
- Lumentum和Coherent均在2025年2季度实现了OCS初期收入，预计26年收入将加速爬坡，呈现数亿美元规模且超平均利润率。

• 市场空间及预测：

- Cignal AI预测2029年OCS市场规模超过16亿美元。
- Coherent预计OCS市场潜力高达20亿美元。
- LightCounting市场规模预测显示光交换市场正快速成长，但仍处于以太网、InfiniBand等传统交换占主导地位的早期阶段。

2.5 产业链核心部件解析（第11页）

• 产业链关键环节：

- MEMS芯片：光学微镜阵列，三维角度机械偏转核心器件。
- 光环形器：实现单根光纤双向通信，节省链路资源。
- 光纤阵列单元（FAU）：微米级排布光纤，实现高效耦合。
- 滤光片/波分复用器（WDM）：控制光波长和复用，提高光路利用率。

• 图表14展示谷歌OCS设备内部横截面，直观表现主芯片和光学模块分布，体现结构复杂性及集成精度。

2.6 风险因素（第12页）

• 主要风险包括：

- OCS技术发展不及预期，特别是切换速度、成本等瓶颈未能克服，导致无法真实替代电交换解决方案，产业渗透受阻。
- 替代技术竞争，如基于电子交换架构的CPO（Co-Packaged Optics）等，若发展超预期，可能占据更多市场份额。

• 在风险提示中并无详细缓解措施，反映行业尚处试验与快速演进期，业务与技术均有不确定性。

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三、图表深度解读

3.1 图表1（第1页）

对比了OCS与传统电交换机的信号路径。OCS路径中光信号直接输入到输出，无光电转换环节；电交换机中光信号需转为电信号处理，再转回光信号输出。此图表支撑了低时延、低功耗、协议透明性的基础理路。

3.2 图表2与3（第3页）

2D和3D MEMS结构示意，展示通过微米级微镜阵列实现光线路径映射。反映2D方案较为简单，3D方案更适合大规模端口扩展。图3的数字液晶示意图说明光线经过液晶调制控制偏折路径，呈现光交换的另一重要技术路线。

3.3 图表4与5（第4页）

压电陶瓷DLBS光交换原理示意，结合驱动电路展现了机械驱动光纤偏转的构造。技术对比表清晰列出三种技术方案的性能差异，揭示设计权衡和市场选择逻辑。

3.4 图表6-7（第6页）

Apollo项目光纤连接示意及网络拓扑，直观表达了通过OCS实现多速率汇聚交换机之间光路重构，支持动态逻辑拓扑构建。

3.5 图表8-10（第7-8页）

描述谷歌TPU集群规模及光电混合连接架构，图示高维空间cube的物理连接及光纤链路分布。特别是图10展现了Ironwood TPU v7 Superpod的具体硬件结构和3D Torus网络设计，体现OCS在复杂超级计算网络中核心地位。

3.6 图表11（第9页）

Cignal AI关于不同技术厂商在不同应用场景的优劣表现对比，展示了MEMS由谷歌等部署、数字液晶Coherent成熟、机器人技术HUBER+SUHNER优势明显等产业格局。

3.7 图表12-13（第10页）

LightCounting的整体云数据中心交换机市场细分和历史/预测销售额图。可见OCS市场虽目前规模较小（百万美元量级），但预测增长迅速，至2030年超过10亿美元级别。

3.8 图表14（第11页）

谷歌OCS设备内部横截面照片，显示关键光学模块布置，特别标注微镜阵列、光纤准直器和850nm激光二极管光源等，揭露了OCS设备的复杂结构及技术含量。

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四、估值分析

报告未直接提供具体估值模型及目标价，但通过产业规模预测和厂商营收增长预期暗示OCS领域的市场空间有望达到数十亿美元，对相应企业未来收入增长和利润贡献形成正面驱动力。尤其Lumentum和Coherent提及以数亿美元计的OCS收入预期及高于平均水平的利润率，说明市场重视盈利能力的提升。产业前景明显，投资潜力可期。

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五、风险因素评估

• 技术风险：OCS切换延时、插入损耗，制造工艺复杂导致成本和质量控制挑战。

- 市场风险：客户采纳率受限，是否能从谷歌主导逐步扩散至更多云服务商和数据中心。

• 替代风险：CPO等基于电子架构光互联新技术，如快速成熟将分流部分市场。

- 风险未见具体缓解对策，投资者需密切关注技术革新和市场接受度的变化。

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六、批判性视角与细微差别

• 报告高度正面看待谷歌等超级客户布局OCS，有一定引领和未来预判的积极倾向。对此类大型项目投资较重，短期商业化仍存在不确定性。

- 技术选择侧重MEMS方案，数字液晶及压电陶瓷技术提及较少，未深入探讨它们的替代可能性及未来竞争格局变动。

• 报告假设OCS是“AI新型网络架构的创新底座”，在创新性方面视角较为单一，缺少对与传统电交换机、未来CPO等技术的多元、动态对比和风险深入分析。

- 与会计或财务预测无关，未涉及估值敏感性分析和财务风险。

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七、结论性综合

该报告系统论述了光路交换机（OCS）作为新兴光网络交换技术的原理、优势及技术路线，重点关注其通过省却光电转换，实现低时延、低功耗、跨代兼容等性能突破，尤其适合数据中心核心层及AI大规模集群的稳定高效互联。

谷歌利用OCS技术改造Jupiter数据中心网络架构中的核心层及其TPU v4/TPU v7超级计算集群，实现了显著的性能和能效提升，彰显OCS作为AI计算基础设施的关键创新地位。其它诸如华为、曦智科技、中兴通讯等企业亦在快速跟进，推动全光交换方案的产业化。

三大技术路线（MEMS、数字液晶、压电陶瓷）各有优劣，MEMS因成熟度和扩展性领先，并已率先应用于商业化系统中。产业链包括MEMS芯片、光环形器、光纤阵列、波分复用等多技术环节，系统集成复杂。

市场方面，2025-2029年OCS市场规模有望从数百万美元快速增长至超16亿美元，Coherent等厂商业绩预示良好收入爆发点即将到来，行业生态趋向开放与标准化。

风险主要为技术成熟度、成本和替代技术威胁。报告立场积极，展望OCS技术在AI集群和数据中心网络的渗透潜力，建议投资者关注行业趋势和主要厂商动态。

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溯源：综合引用全文内容，详见页码标注 [page::0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]

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附图示例展示

• OCS直接光交换示意图

- 谷歌OCS内部横截面

• TPU v4 cube结构示意

- OCS产业规模预测

报告