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铜缆高速连接:红利该轮到你了

发布日期:2024-06-14      来源:光电产业网      作者:苏州市光电产业商会      阅读:250 次

铜缆高速连接是利用铜质材料作为导体的电缆传输技术,以其卓越的成本效益、快速传输速率和低能耗,广泛应用于数据中心和海上风电等多个领域展现出强大的市场潜力。随着技术标准化和政策的有力支持,这一技术正迅速成为支持大数据处理和新能源发展的理想选择。尽管面临市场需求波动和新兴技术的挑战,全球铜缆高速连接市场仍呈现出积极增长的态势,预计到2027年出货量将显著增长。国内外领先企正通过不断的技术创新,推动铜缆高速连接技术的发展,并加速其在全球范围内的应用。

成本效益与传输效率的结合

铜缆高速连接技术利用铜质材料作为导体,通过双绞线或同轴电缆实现高速数据传输,具有稳定性和成本效益。关键组件包括高速背板连接器和铜缆高速连接器,分类包括无源铜缆DAC、有源铜缆ACC和有源电缆AEC,适用于不同距离和速率需求。

  1. 铜缆高速连接概述。铜缆高速连接是一种利用铜质材料作为导体的电缆传输技术,这种连接方式通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质,依赖精密的信号处理技术,可以在铜质介质上实现高速率的数据传输,支持从百兆以太网(100Mbps)到万兆以太网(10Gbps)甚至更高速率的数据通信。同时,铜缆高速连接能够最小化信号衰减和电磁干扰,在短距离内提供稳定且具有成本效益的解决方案,广泛应用于局域网(LAN)、宽带接入、数据中心和企业网络中。

  2. 关键组件。铜缆高速连接的组件主要包括高速背板连接器和铜缆高速连接器。高速背板连接器拥有高达12.5 Gbps以上的传输速率,能够保证交换机、路由器等设备间的高效通信。而铜缆高速连接器则具备高传输带宽、阻抗一致性好和抗干扰能力强的特点,例如英伟达的GB200芯片,使用了超过2英里长的5,000根NVLink铜缆高速连接器,在112Gbps PAM4速率下能够实现长达5米的传输距离。

  3. 铜缆高速连接分类。铜缆高速连接按照是否需要电源来增强信号可分为无源铜缆(Direct Attach Copper, DAC),有源铜缆(Active Copper Cable, ACC)和有源电缆(Active Electrical Cable, AEC)。无源铜缆DAC是一种成本效益高的解决方案,主要用于数据中心内部或高性能计算机的短距离连接,其传输距离在25G NRZ速率下最大可达5米,在50G PAM4速率下最大可达3米,适用于低能耗、低成本的场景。有源铜缆ACC通过内置信号增强芯片,支持更长距离和更高速率的数据传输,适用于高性能计算(HPC)和其他需要高速数据传输的应用场景。有源电缆AEC通过在电缆两端集成重定时器芯片,能够在保持低功耗和低成本的同时,提供长达7米的清晰信号传输。AEC电缆支持的传输速率可达100G、200G、400G,主要用于ToR(Top of Rack)与服务器的连接、分布式机箱等场景,允许数据在更长的距离上进行传输而不出现显著的信号衰减。

铜缆高速连接具有成本效益高、传输速率快和低能耗等优势。通过直接使用铜缆连接,避免了光芯片的成本,降低了总体拥有成本;支持高达100Gbps的传输速率,满足大数据处理需求;在能源消耗和热产生方面表现出色,有助于降低数据中心整体功耗。

  1. 成本效益。铜缆高速连接的成本优势主要体现在材料成本和部署成本上。铜缆高速连接技术通过直接使用铜缆进行连接,避免了使用光芯片所需的Transceivers。此外,铜材料相对于光纤的采购成本更低,从BOM成本角度来看,铜缆及其连接器在服务器整体成本中仅占6-7%;单根25G 无源铜缆的价格大约是25G有源光缆价格的1/3到1/4,这一价格差异显著降低了数据中心高速网络基础设施的总体拥有成本。同时,铜缆的安装过程相对简单,不需要复杂的熔接设备或专业技术人员,进一步降低了部署成本,铜缆连接器的成本仅为光模块的1/5,此优势在大规模部署时尤为显著。在维护方面,铜缆的耐用性和简易性也有助于减少长期的维护成本。

  2. 高传输速率。铜缆高速连接技术因其短途无损传输的特性,能够提供更高的传输速率。目前,铜缆已经能够支持从1Gbps到40Gbps甚至100Gbps的传输速率,英伟达在其GB200芯片中采用铜缆高速连接器,允许更高的数据吞吐量,GB200芯片通过900GB/s超低功耗互连技术,实现了每秒130TB的惊人传输速度。这种高速度的数据传输对于处理大量数据、实现快速计算至关重要,尤其是在需要高速数据传输的场景如数据中心、智能驾驶技术升级等领域。

  3. 低能耗。铜缆高速连接技术通过优化设计和材料选择,有效降低了能源消耗和热产生。据财通证券数据显示,相比于有源光缆,目前的无源铜缆DAC的功耗小于0.1 W,几乎可以忽略不计。此外,有源电缆AEC的功耗也可以控制在5W以内,这可以在一定程度上降低算力集群整体功耗。在数据中心能耗不断攀升的背景下,铜缆互联不涉及光电转化,因此具有低功耗特点,使铜缆在数据中心高速互联中一直扮演着重要角色,尤其是在服务器内部和Server-Top of Rack的短距离传输场景下,铜连接对于散热效率和信号传输以及成本方面有着显著的优势。

行业标准化赋能创新应用

铜缆高速连接技术在数据中心、海上风电和消费电子领域广泛应用。在数据中心,通过高速背板连接器连接设备,如英伟达DGX GB200 AI服务器,节约成本。海上风电中,保证数据稳定传输,提升安全性和效率。消费电子中,支持高端设备高速数据传输,适应小型化和复杂电路需求。

  1. 数据中心。作为数据传输的核心组件,铜缆高速连接技术负责在服务器、存储设备和网络交换机之间实现高速数据传输。例如,英伟达在2024年3月的GTC大会上发布的基于Blackwell的AI算力服务器DGX GB200中,GPU与NVSwitch之间就采用了铜互联形式(高速背板连接器),内部具有5,000条NVLink铜缆高速连接器,成本节约高达6倍。与传统的光纤或无线连接相比,在数据中心架构中使用这种铜缆设计,可以先通过高速电缆将数据传输到外部端口,再通过高速跳线传输至服务器内部的端口,实现信号高速传输,避免通过PCB传输带来的损耗,在传输相同数据量时消耗的能量更少,成本也相对较低。

  2. 海上风电。随着海上风电招投标的加速,对高速、高可靠性的数据传输需求日益增长。铜缆高速连接技术作为连接海缆的重要手段,能够有效保证海上风电场中数据传输的速度和稳定性,从而提高风电场的运行效率和安全性。通过铜缆高速连接,风电场能够实现远程监控、数据实时传输以及故障快速诊断等功能,大大提高了风电场的运维效率和安全性。同时,铜缆连接技术还能在海上风电场中实现能源的高效分配和传输,降低能源损耗。目前,在远东电缆有限公司的供应下,多个海上风电项目采用了铜缆高速连接技术,成功实现了风电场的高效运行和稳定供电。随着海上风电技术的不断发展,铜缆高速连接技术将继续发挥其在数据传输和能源分配方面的关键作用。

  3. 消费电子。铜缆高速连接在消费电子领域的应用主要体现在为高端计算机、游戏机、移动设备等提供快速的数据传输能力。在高端计算机和游戏机中,铜缆高速连接器用于连接CPU或GPU与系统其他部分,支持高性能计算和图形处理需求,确保数据传输的高速率和低延迟。在智能手机中,铜缆连接器用于内部组件之间的连接,保证高速数据传输和低延迟,这对于处理大量数据和高速网络连接至关重要。此外,铜缆技术也用于连接消费电子设备与外部设备,如通过USB Type-C接口实现的数据传输和充电功能,这些接口广泛采用铜缆以支持其高速传输的特性。随着技术的发展,铜缆连接器的设计也在不断创新,以适应更小尺寸的设备和更复杂的电路设计需求,从而满足市场对高性能消费电子产品的需求。

行业标准明确铜缆高速连接技术参数和性能要求,促进技术标准化,确保产品质量和可靠性;政策支持如新质生产力政策和氢能产业发展政策推动了铜缆高速连接技术产业的增长,为其在新型基础设施建设和新能源领域的应用提供了发展机遇。

  1. 行业标准化。行业标准和规范通过对铜缆高速连接技术的技术参数、性能要求进行明确规定,促进了技术的标准化。铜缆高速连接行业的标准化规定主要由国际标准化组织(如ISO)、电气和电子工程师协会(IEEE)以及国际电信联盟(ITU)等机构制定,ISO/IEC和TIA等标准化机构制定的布线标准,如7类、6A类和8类等,为铜缆高速连接技术提供了明确的性能参数和测试方法,确保了产品的质量和可靠性。IEEE 802.3系列标准定义了多种以太网技术规范,包括不同速率的铜缆传输标准,确保了不同设备和组件之间的互操作性。此外,高速串行链路(如PCIe)的标准也由这些组织进行定义,规定了信号完整性、时序要求和电气特性,以支持高速数据传输。这些标准化规定对于推动铜缆高速连接技术创新、确保产品质量和安全性、促进行业内部协作以及提高全球市场的竞争力都至关重要。

  2. 政策支持。新质生产力政策作为政府十大工作任务之首,在新科技产业趋势催化与政策双轮驱动下,对铜缆高速连接技术产业产生重大影响。2023年9月,习近平总书记第一次提出新质生产力,各地政府陆续响应,并加快布局发展新质生产力的重要支撑。铜缆高速连接作为高技术制造业的一部分,将受益于新质生产力政策的推动,特别是在中国政府的“十四五”规划中,该技术作为新型基础设施建设的一部分,与5G网络、数据中心、工业互联网一同被强调,在技术创新、产业升级等方面迎来新的发展机遇。国家能源局政策通过加快推动氢能产业的高质量发展,以及GB200铜缆标准的发布,直接刺激了对高速铜缆的大量需求。特别是在氢能产业和新能源汽车等领域,高速铜缆作为关键的传输介质,其需求量随着这些行业的快速发展而显著增加。

铜缆高速连接面临市场需求增长缓慢的调整,部分厂商尚未批量生产高速电缆组件,而新兴连接技术的崛起挤压了铜缆市场空间。另一方面,中美贸易摩擦等因素影响了供应链的稳定性和可靠性,增加了成本风险。

  1. 下游需求不足。据财联社报道,尽管数据中心和高性能计算领域对高速数据传输的需求不断增长,但完全铜缆化还需要较长时间,部分厂商虽已研发出800Gb/s的高速电缆组件,但尚未批量生产。铜缆在当前主流服务器架构中几乎没有需求,现有的服务器架构模式如H100,不需要铜缆,或需求量非常少。据Light Counting发布的报告显示,铜缆高速连接2023年的市场需求份额仅占高速连接市场整体的 30%左右,且呈现持续下滑的态势。以通信行业为例,随着 5G 技术的快速发展,对高速、低延迟的连接需求愈发强烈,然而铜缆在传输速率和稳定性上逐渐显出劣势,仅有约 25%的 5G 相关设备采用铜缆连接。新兴的光纤等连接技术不断崛起,进一步挤压了铜缆的市场空间,这使得铜缆高速连接在面对下游多样化且不断升级的需求时,面临着极大的竞争压力和发展困境。

  2. 供应链依赖。铜缆高速连接技术的核心组件和材料高度依赖全球供应链,尤其是在高精度铜基特殊合金材料、高速连接器及其组件等方面。据《铜缆高速连接产业链 国内铜基特殊合金材料龙头》所述,国内企业如楚江新材、鼎通科技等虽然在铜缆高速连接产业链中占据一定地位,但与国际先进水平相比仍有差距。近年来中美贸易摩擦导致部分铜缆高速连接产品出口受限,影响了供应链的稳定性和可靠性。此外,供应链中的依赖关系也增加了铜缆高速连接技术的成本风险,一旦供应链中的某个环节出现问题,可能导致整个供应链的成本上升,进而影响到铜缆高速连接技术的市场竞争力。

国产化技术突破引领市场增长

全球铜缆高速连接市场前景看好,预计2027年出货量将达2,000万条,中国市场规模达39.08亿元人民币。中国企业在高速连接领域取得技术突破,国产化进程加速,金信诺、立讯精密等公司在海外市场业务增长迅速。

  1. 全球铜缆高速连接市场情况。根据长江证券的数据,2022年全球高速铜缆连接市场前十强占据了大约69.0%的市场份额,其中,安费诺(Amphenol)作为全球服务连接器的龙头企业,据称在全球市场中的份额约为50%至60%,显示了其在全球铜缆高速连接市场中的强大地位,其他几家龙头厂商如莫仕(Molex)、泰科(TE Connectivity)等共同占据着60%-80%的市场份额。据Business Research Insights的数据显示,2021年全球背板连接器市场规模约为19.402亿美元,预计到2031年将增长至36.945亿美元。Light Counting数据预测,在2023年至2027年的五年间,全球高速铜缆市场将以年复合增长率(CAGR)25%的速度持续扩张;此外,预计到2027年,全球高速铜缆出货量将达到2,000万条规模,进一步凸显了铜缆高速连接技术在市场中的增长潜力和需求。

  2. 中国铜缆高速连接市场情况。根据华经产业研究院的数据,2022年中国连接器市场规模达到了265亿美元,2016-2022年复合年增长率为5.9%,其中,铜缆高速连接器市场规模达到了6.13亿美元,约合人民币39.08亿元。华丰科技在高速背板连接器领域实现了重大技术突破,成功掌握了10Gbps及以上速率高速背板连接器的核心设计技术和关键制程工艺技术,实现了国产化替代。金信诺公司也在高速业务领域取得了进展,2022年度供应量约占高速业务的10%。立讯精密在海外市场的High speed铜连接器及线束业务正在快速增长,部分产品已经进入前三大数据中心客户项目,有的处于测试阶段,有的已经开始小批量交货。这些进展表明,中国企业在铜缆高速连接领域的国产化进程正在加速,技术突破和市场应用均取得了积极成果。

全球铜缆高速连接市场以无源铜缆为主导,北美和数据中心是主要市场和应用领域。中国2022年无源铜缆市场规模达38.76亿元,有源电缆预计2023-2028年年复合增长率59%。A股相关上市公司2022年营业收入和净利润同比增加,显示行业盈利和发展潜力。

  1. 全球铜缆高速连接细分市场。全球铜缆高速连接市场可以分为无源铜缆、有源铜缆和有源电缆三个细分市场。据Global Info Research的调研显示,无源铜缆是最大的细分市场,占有大约75%的份额,2022年全球无源铜缆收入大约为7.622亿美元,预计到2029年将达到16.63亿美元,反映出市场的强劲扩张势头。从市场份额来看,北美是最大的市场,占有大约30%的份额。在下游应用领域中,数据中心是最大的下游领域,占有约58%的份额。 

  2. 中国铜缆高速连接细分市场。根据新思界产业研究中心发布的《2023-2028年高速线缆行业市场深度调研及投资前景预测分析报告》显示,2022年国内无源铜缆市场规模为38.76亿元,行业发展潜力巨大;此外,有源电缆作为高速铜缆领域的一个分支,预测从2023年至2028年,年复合增长率将达到59%,增速最快。南方财富网趋势选股系统数据统计,截至2022年,A股铜缆高速连接器相关上市企业数量有31家,2022年总体营业收入约为4,486.23亿元,同比增加18.37%。此外,2022年A股31家铜缆高速连接器相关上市公司总体归母净利润为154.76亿元,同比增加12.39%,高于2021年水平。

产业链领军企业与创新生态

铜缆高速连接产业链包括上游的铜材料生产和加工、中游的连接器制造技术、以及下游在数据中心、通信网络、消费电子和工业自动化等领域的广泛应用,展现出中国铜缆高速连接产业链的发展前景和增长潜力。

  1. 上游产业链。铜缆高速连接的核心原材料是高纯度铜材,它决定了电缆的导电性能。铜材料经过拉丝工艺变成细铜线,这是制造铜缆的基础,还需要塑料、橡胶等绝缘材料来保护铜线并提供机械强度;电镀工艺则用于增强铜线的耐腐蚀性和导电性。在产业链上游,国内外化工材料企业提供了一系列绝缘材料、保护层材料等,为高速铜缆的质量和性能提供了有力保障。沃尔核材作为高分子辐射改性新材料的供应商,其子公司乐庭智联生产的高速通信线为DAC铜电缆,这些产品具备低功耗、高性价比、高速率的特点,适合短距离信号传输。此外,中国拥有丰富的铜矿资源和成熟的铜加工产业,国内大型铜企如江西铜业、铜陵有色等,不仅在铜材料生产上占据重要地位,还在铜合金、铜深加工产品上持续进行研发和创新,以满足高速铜缆对于材料性能的特定需求。

  2. 中游产业链。中游产业链环节包括精密加工技术来制造连接器壳体、接触件和绝缘体等关键部件,集成过程需要精密装配技术和严格的质量控制,以确保连接器的性能和可靠性。高速连接器的生产是中游产业链的重要组成部分,国内企业如立讯精密、兆龙互联等在这一领域具备强大的研发和生产实力。立讯精密利用自主研发的Optamax™散装电缆技术,开发了112G PAM4无源铜缆和有源铜缆,这些产品能够提供超过800 Gbps的聚合数据吞吐量,满足数据中心柜内及柜间的铜缆应用需求

  3. 下游产业链。铜缆高速连接器广泛应用于数据中心、通信网络、消费电子和工业自动化等多个领域。在通信网络中,5G技术的商用化推进了对高速、低延迟传输解决方案的需求,铜缆高速连接技术因其优异的传输性能和成本效益,在5G基站建设和网络升级中发挥着重要作用。消费电子产品,如高端计算机和游戏机,也依赖铜缆高速连接器来提供快速的数据访问。工业自动化领域中,铜缆高速连接器支持智能制造和工业4.0的实现,提高生产效率。中国铜缆高速连接的下游产业链正受到新兴技术推动和市场需求的双重影响,展现出广阔的发展前景和增长潜力。

安费诺、莫仕和泰科电子是全球领先的高速互连解决方案提供商,在铜缆高速连接领域拥有创新产品和技术。它们提供各种高速连接器产品,满足数据中心和高性能计算领域的需求,为数据中心、云计算和5G通信等领域提供强大的连接方案。

  1. 安费诺(Amphenol)。安费诺是全球领先的高速互连解决方案厂商,在铜缆高速连接领域占据重要地位。公司提供多种基于单通道224G速率的解决方案,包括Paladin™,OverPass™和 UltraPort+™等线端、板端连接器以及配套线缆平台。这些产品可支持数据中心系统内多个芯片及设备间的224G高速直接互联,满足新一代高速技术的性能需求。例如,安费诺的QSFP DD(双密度)无源铜缆组件,将通道数量从4通道增加至8通道,实现在相同机械封装内拥有更宽的带宽。此外,公司还提供OSFP(Octal Small Form Factor Pluggable)电缆组件,以及针对数据中心和高性能计算应用的CDFP PCIe 5.0 电缆组件,每通道传输速率高达32GT/s(Gen 5.0)。安费诺的铜缆和连接器在服务器价值占比估计约6%~7%,单台铜互联价值量在100-200万元人民币,铜线缆+连接器的成本为100-120元人民币,毛利率最大达到50%。安费诺的产品因其高质量和高性能在全球市场上占据重要地位,是英伟达等重要客户的重要供应商

  2. 莫仕(Molex)。莫仕(Molex)是全球领先的连接和电子解决方案提供商,在铜缆高速连接领域拥有广泛的产品组合和创新技术。莫仕提供从10Gbps SFP+到800Gbps OSFP和QSFP-DD800的全系列直连电缆解决方案,涵盖无源被动、ACC和AEC等类型,旨在以行业领先的质量和可靠性满足数据中心最苛刻的要求。莫仕的铜制互连解决方案系列中还包括新型112G有源电缆(AEC),它可以将连接距离增加到5米,而无需光缆,并支持较小的导线以改善电缆管理。此外,莫仕还提供BiPass技术,通过多种Near-ASIC连接器解决方案提供一流的信号完整性,包括TASIC和NearStack连接器系列。通过这些创新产品和技术,莫仕致力于帮助客户应对数据中心带宽需求的增长,支持更快的处理、更大的带宽和更高的密度。

  3. 泰科电子(TE Connectivity)。泰科电子是全球领先的高速互连解决方案提供商,专注于设计和制造创新的铜缆高速连接器产品。其112G高速连接器产品系列,凭借卓越的链路性能、优于业界的串扰、回波损耗和插入损耗指标,成为市场上备受瞩目的解决方案。此外,泰科电子还推出了包括每通道112G的I/O解决方案、有线STRADA Whisper线缆背板连接器、用于SFF-TA-1002内部互连系统的Sliver解决方案等一系列明星产品,这些产品均展现了泰科电子在高速连接技术领域的领先地位。特别地,其112G产品不仅满足了下一代高速设计的要求,还通过标准的外部输入/输出(I/O)接口实现了机柜内和机柜间应用的生态系统连接,为数据中心、云计算、5G通信等领域提供了强大而灵活的连接方案。

沃尔核材、立讯精密和华丰科技是中国领先的高速连接器企业。沃尔核材在铜缆高速连接领域生产400G和800G高速通信线,广泛应用于数据中心。立讯精密开发112G PAM4无源铜缆和有源铜缆,满足高密度数据接口需求。华丰科技突破国外技术封锁,成功国产化替代10Gbps以上速率高速背板连接器技术。

  1. 沃尔核材。沃尔核材是国内专业从事高分子辐射改性新材料研发制造的龙头企业。在铜缆高速连接领域,沃尔核材的子公司乐庭智联生产的400G、800G高速通信线为DAC铜电缆,目前,400G高速通信线已实现稳定量产,并应用于多个高速通信项目;而800G高速通信线已完成产品开发,全系列规格已通过客户验证并实现小批量交付。这些产品在短距离信号传输方面具备低功耗、高性价比、高速率等优势,广泛应用于数据中心、服务器、交换机/工业路由器等数据信号传输。主要客户包括安费诺、豪利士、莫仕、泰科等海外数通行业巨头,间接供货给英伟达、meta、微软、亚马逊等大厂,显示出沃尔核材在铜缆高速连接领域的强大实力和市场竞争力。据公司财报显示,2023年,沃尔核材的营收为57.23亿元,同比增长7.16%,显示出其在该领域的领先地位和强劲增长潜力。

  2. 立讯精密。立讯精密是一家领先的精密制造企业,提供包括高速铜缆连接解决方案的广泛电子组件。公司基于自主研发的Optamax™散装电缆技术,开发了112G PAM4无源铜缆(DAC)和112G PAM4有源铜缆(ACC)。这些产品通过Optamax™超低损耗高速裸线技术,结合符合MSA标准的paddle card和cage技术,能够将八个通道组合在一起,以每通道高达112 Gbps的速度运行到一个高密度数据接口(MDI)中,并与Marvell的DSP芯片结合,提供超过800 Gbps的聚合数据吞吐量。立讯精密的铜缆解决方案能够把应用长度延长至5米,满足数据中心柜内及柜间的铜缆应用需求,成为短距(小于5米)传输中替代光模块最具性价比的方案。此外,立讯精密的铜连接产品已供货给海内外头部客户,包括惠普、思科等海外云厂商以及华为、浪潮等国内头部公司。据同壁财经预估,2024年立讯精密在GB200 NVL72订单相关业务上有望抢占3成市场份额,对应200-300亿收入增量,按照15%净利率,约有30-45亿利润弹性。

  3. 华丰科技。华丰科技是一家致力于高速背板连接器的研发与生产的企业,成功突破了高速互连技术。该公司长期致力于光、电连接器及线缆组件的研发、生产和销售,其核心产品包括高速背板连接器、高速I/O连接器等,广泛应用于大型通讯设备、超高性能服务器、数据中心等领域。在铜缆高速连接领域,华丰科技成功突破了国外龙头企业对于10Gbps及以上速率高速背板连接器技术的封锁,掌握了产品核心设计技术及关键制程工艺技术,实现了国产化替代。其产品技术指标达到国际先进水平,如FMC系列高速数据连接器和JVNX系列高速总线连接器等,已经在市场上得到了广泛应用。此外,华丰科技还承担着国家工信部“强基工程”和国家发改委重大专项工程,持续推动高速连接器技术的研发和应用。

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