新一代信息技术：以太网交换芯片专题报告.docx

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1、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

2、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

3、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PClE线与CPlJ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。图4：典型盒式交换机内部架构图解BCM56850CPLDsManagement Interface PHY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

4、算机局域网络ALTOALOHA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EthernetI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EthernetInterfaceCable（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IEEE802.3标准基础规约。1995年发布的802.3u100Mbps以太网标准也称FastEthernet,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

5、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400G802.3bs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

6、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

7、换机Catalyst1200,这款交换机支持8个IOM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QUidWayS2403;2002年10月，中兴通讯推出国内第一台符合802.3ae标准的IOG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-S8600RG-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

8、片推出Catalyst3850系列交换机，该机型支持CiscoONE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CloudEngine16800-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

9、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

10、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TomahaWk5,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

11、3月推出Teralynx10;思科推出SiliconOneG200/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202

12、5年我国交换机市场达到641亿。图12：疫情后全球以太网交换机快速增长全球交换机（亿元）YoY资料来源：IDC（含预测），中信证券研究部产品价值：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2252.3

13、3元/颗，定价水平较高。博通TonIahaWk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.mouserelectronic的数据）。最高端的TomahaWk5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%o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

14、10%15%o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%o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

15、，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Q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

16、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