ผู้เขียน: กอโด
สองภาคที่ได้รับความนิยมสูงสุดในด้าน AI คือการจัดเก็บข้อมูลและแสง ก่อนหน้านี้ได้เขียนกรอบงานเกี่ยวกับการจัดเก็บข้อมูลแล้ว (อ่านเข้าใจโครงสร้างผลกำไรและสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมของ AI Storage ในบทความเดียว) ครั้งนี้จะเขียนเกี่ยวกับแสง
ซิลิคอนฟอตอนิกส์ (Silicon Photonics) ใช้สำหรับการสื่อสารระหว่างชิปประมวลผล โดยแทนที่สายทองแดง ดังที่แสดงในรูปด้านล่าง
LPO (Linear Pluggable Optics), CPO (Co-Packaged Optics), OCS (Optical Circuit Switching), และ Optical I/O (Optical Input/Output) ที่ผู้ใช้ทั่วไปอาจพบเห็นแล้วรู้สึกสับสน คือเทคโนโลยีต่างๆ ที่ใช้ในการพัฒนา silicon photonics
โดยทั่วไปชิปใช้สายทองแดงในการสื่อสาร ชิปโฟตอนซิลิคอนรวมเลเซอร์ที่สร้างแสง โมดูเลเตอร์ที่สามารถ “ปรับแต่ง” แสง และตัวรับสัญญาณที่สามารถ “รับ” แสง ลงบนซิลิคอนโดยตรง เพื่อใช้การสื่อสารด้วยโฟตอน
ดังนั้น ทำไมต้องแทนที่ทองแดง? และทำไมต้องใช้แสงซิลิคอน แทนที่อย่างอื่น?
ก่อนอื่น สายทองแดงเมื่อส่งสัญญาณเกิน 1.6T จะใกล้ถึงขีดจำกัดทางฟิสิกส์ สัญญาณเริ่มไม่สมบูรณ์ ต้องพิจารณาเปลี่ยนวัสดุ นี่คือปัญหาที่ร้ายแรงที่สุดและจำเป็นต้องทำ คำศัพท์เรียกว่า กำแพงแบนด์วิดธ์
นอกจากนี้ ทองแดงเป็นวัตถุทางกายภาพที่จับต้องได้จริง เมื่อคลัสเตอร์ GPU ขยายใหญ่ขึ้น สายทองแดงก็ไม่มีที่วางอีกต่อไป นี่คือเหตุผลที่จำเป็นต้องเปลี่ยนจากทองแดง แสงไม่เหมือนกัน สามารถเชื่อมอินเทอร์เฟซแสงไว้ข้างๆ ชิปสวิตช์ได้ทันที ช่วยลดการเดินสายจำนวนมาก ซึ่งเรียกว่ากำแพงขนาด
อีกครั้ง ทองแดงใช้ไฟมากเกินไป ในสถานที่ขนาดร้อยเมกะวัตต์ ฟอตอนิกส์แบบซิลิคอนสามารถประหยัดไฟได้หลายหมื่นหน่วยต่อวัน ซึ่งเป็นพลังงานที่ถูกใช้ไปกับการสื่อสารด้วยสายทองแดง เมื่อเปลี่ยนมาใช้แสงแล้ว สามารถนำพลังงานที่ประหยัดได้ไปใช้กับ GPU สำหรับการคำนวณที่แท้จริง คำศัพท์ทางเทคนิคเรียกว่า กำแพงการใช้พลังงาน
ที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้น ฟอโตนิกส์แบบซิลิคอนสามารถใช้กระบวนการผลิต CMOS ที่สุกงอมอยู่แล้วของเซมิคอนดักเตอร์เดิม จึงไม่จำเป็นต้องสร้างโรงงานใหม่ตั้งแต่ศูนย์ และสามารถผลิตในปริมาณมากด้วยต้นทุนต่ำ
แน่นอน แสงซิลิคอนก็มีข้อจำกัดเช่นกัน เพราะซิลิคอนเองไม่สามารถปล่อยแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงต้องพึ่งพาสารอินเดียมฟอสไนด์ (InP) ซึ่งกลายเป็นจุดที่สำคัญที่สุดในการผลิตห่วงโซ่อุตสาหกรรมทั้งหมด
การพัฒนาของเทคโนโลยีซิลิคอนโฟตอนิกส์
จุดเปลี่ยนที่สำคัญที่สุดคือเดือนมีนาคม 2025 เมื่อ NVIDIA เปิดตัวสวิตช์โฟตอน Quantum-X และ Spectrum-X ในการประชุม GTC โดยฮวง เหรินซว่ยประกาศว่าตั้งแต่ Rubin รุ่นถัดไป "การเชื่อมต่อด้วยแสงไม่ใช่ตัวเลือก แต่เป็นมาตรฐาน"
หนึ่งสัปดาห์ต่อมา NVIDIA ประกาศลงทุนรวม 4 พันล้านดอลลาร์สหรัฐใน Coherent และ Lumentum เพื่อจัดหาห่วงโซ่อุปทานที่สำคัญ
กระดาษวิจัยเกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกแบบซิลิคอนถูกตีพิมพ์ในทศวรรษที่ 1980 และ Intel และ IBM ได้ผลิตโมดูเลเตอร์แสงแบบซิลิคอนระหว่างปี 2004-2014
ในทศวรรษที่ผ่านมา ผู้ให้บริการคลาวด์ขนาดใหญ่เช่น AWS, Google, Meta ได้ใช้เทคโนโลยีซิลิคอนโฟตอนิกส์ แต่ในเวลานั้นยังเป็นเพียงส่วนหนึ่งของการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก
สถานการณ์อุตสาหกรรมปัจจุบัน
1) ระดับล่างสุด: โรงงานผลิตวีเฟอร์
ผลิตชิปโฟตอน TSMC $TSM นำหน้าด้วยกระบวนการ COUPE Tower Semiconductor $TSEM ดำเนินการรับจ้างผลิตแสงซิลิคอนโดยเฉพาะ โดยมีรายได้จากแสงซิลิคอนเติบโต 70% เมื่อเทียบปีก่อนในปี 2025 GlobalFoundries $GFS ผ่านการซื้อกิจการ AMF ของสิงคโปร์ กลายเป็นผู้รับจ้างผลิตแสงซิลิคอนแบบเฉพาะรายที่ใหญ่ที่สุดในโลก
2) ชั้นที่สอง: ผู้จัดหาอุปกรณ์หลัก
มีบริษัททั่วโลกน้อยกว่า 5 แห่งที่ผลิตเลเซอร์ โมดูเลเตอร์ และอื่นๆ โดยเฉพาะเลเซอร์อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) ที่สามารถผลิตเลเซอร์ EML ความเร็วสูง
Lumentum $LITE เป็นผู้ผลิตเพียงรายเดียวที่สามารถผลิตเลเซอร์ EML 200G/lane ได้ในปริมาณมาก ซึ่งเป็นชิ้นส่วนหลักของโมดูลแสง 1.6T NVIDIA ได้จองกำลังการผลิตของมันจนถึงหลังปี 2027
3) ระดับที่สาม: โมดูลและโรงงานระบบ
ประกอบชิ้นส่วนให้เป็นผลิตภัณฑ์ Coherent ครองส่วนแบ่งตลาดโลกของอุปกรณ์รับ-ส่งแสงที่ 25% บริษัทจีนอย่าง InnoLight, Eoptolink และ Accelink มีขนาดการผลิตและความสามารถด้านต้นทุนที่ไม่สามารถมองข้ามได้
4) ระดับสูงสุด: ผู้บูรณาการระบบ
NVIDIA, Cisco, Broadcom, Marvell อยู่ในระดับนี้
โดยรวมแล้ว
NVIDIA$NVDA
ครองตำแหน่งผู้นำ ตัดสินใจว่าศูนย์ข้อมูล AI จะใช้มาตรฐานการเชื่อมต่อใด แล้วล็อกซัพพลายเชนผ่านการลงทุนเชิงกลยุทธ์
Broadcom$AVGO
ผู้นำตลาดชิปสวิตช์เครือข่ายอย่างสมบูรณ์แบบ มีส่วนแบ่งตลาดสวิตช์อีเธอร์เน็ตใกล้เคียง 80% Tomahawk 6-Davisson เป็นสวิตช์ CPO 102.4 Tbps รุ่นแรกของโลก
Marvell$MRVL
ผู้ท้าทายที่แข็งแกร่งที่สุดของ Broadcom ซึ่งครองตลาด PAM4 optical DSP ด้วยส่วนแบ่ง 60-70% ล่าสุดได้เข้าซื้อ Celestial AI เพื่อเข้าสู่ตลาดการเชื่อมต่อแสงระหว่างชิป
Lumentum$LITE
ผู้จัดหาหลักของเลเซอร์ EML ผู้ผลิตเดียวทั่วโลกที่สามารถผลิต EML 200G/lane ในปริมาณมาก NVIDIA ได้จองคำสั่งซื้อจนถึงหลังปี 2027
Coherent$COHR
ผู้บูรณาการทั้งห่วงโซ่อุตสาหกรรม ครอบคลุมทั้งวัสดุ เลเซอร์ และโมดูล มีรายได้ 5.8 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปีงบประมาณ 2025 และเป็นผู้ผลิตที่มีส่วนแบ่งตลาดอุปกรณ์รับ-ส่งแสงสูงสุด
台积电$TSM
ผู้กำหนดมาตรฐานการผลิต กระบวนการซิลิคอนโฟตอนิกส์ 65nm ได้เริ่มผลิตในปริมาณมากแล้ว COUPE เป็นโซลูชันการรวมแบบ 3D แบบไม่เหมือนกันที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบัน และเส้นทาง CPO ของ NVIDIA มีความเชื่อมโยงอย่างลึกซึ้งกับมัน
Tower Semiconductor$TSEM
ผู้ได้รับประโยชน์โดยตรงจากธุรกิจการผลิตโฟตอนิกส์บนซิลิคอน รายได้จากโฟตอนิกส์บนซิลิคอนเติบโต 70% เมื่อเทียบปีต่อปีในปี 2025 และกำลังลงทุน 6.5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐเพื่อขยายกำลังการผลิตให้เพิ่มขึ้นสามเท่า ความยืดหยุ่นของมูลค่าตลาดสูงที่สุดในจำนวนหลักทรัพย์ทั้งหมด
Lightmatter / Ayar Labs ยังไม่ได้เข้าตลาด · ผู้สมัครเข้าตลาดครั้งแรก
Lightmatter ประเมินมูลค่า 4.4 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และพัฒนาการเชื่อมต่อโฟตอน 3 มิติ; Ayar Labs ได้รับการลงทุนจาก AMD, Intel และ NVIDIA พร้อมกัน โดยพัฒนาชิปออปติคอล I/O ทั้งสองบริษัทเป็นผู้สมัคร IPO ที่มีศักยภาพสูง
การระเบิดของซิลิคอนโฟตอนิกส์ทำให้ตรรกะการประเมินมูลค่าเปลี่ยนไป
ตัวอย่างเช่น ก่อนหน้านี้ วอลล์สตรีทได้ประเมินมูลค่าของ Tower Semiconductor โดยใช้การเปรียบเทียบกับโรงงานผลิตชิปแอนะล็อกทั่วไป โดยมีอัตราส่วนราคาต่อรายได้ประมาณ 2-3 เท่า
แต่เมื่อธุรกิจซิลิคอนฟอตอนิกส์เติบโตจากคิดเป็น 5% ของรายได้รวมเป็น 30%-40% ตลาดเริ่มประเมินมูลค่าใหม่เป็นสินทรัพย์ที่หายากของโครงสร้างพื้นฐาน AI โดยอัตราส่วนราคาต่อรายได้อาจเพิ่มขึ้นเป็น 6-10 เท่า
Lumentum และ Coherent ก่อนหน้านี้เป็นผู้จัดจำหน่ายอุปกรณ์โทรคมนาคม แต่ตอนนี้ถูกกำหนดใหม่เป็นผู้จัดจำหน่ายชิ้นส่วนที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อ AI นักวิเคราะห์ของ BofA Vivek Arya ได้ปรับเป้าหมายราคาของ Marvell ขึ้นเป็น 200 ดอลลาร์ โดยมีเหตุผลคือการประเมินมูลค่า Marvell ตามฐานรากด้าน AI แทนที่จะเป็นบริษัทชิปการสื่อสาร
Evercore ISI ยังมีมุมมองคล้ายกันต่อ Cisco โดยคาดว่าเมื่อผลิตภัณฑ์ซิลิคอนฟอตอนิกส์เข้าสู่ศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ รายได้หลักด้าน AI ของ Cisco อาจเติบโตจาก 3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐเป็น 12-15 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในอีก 3-4 ปีข้างหน้า
อุปสรรคทางธุรกิจของอุตสาหกรรมซิลิคอนฟอตอนิกส์
อุตสาหกรรมซิลิคอนฟอตอนิกส์มีลักษณะชัดเจนว่าผู้ชนะได้ทั้งหมด เนื่องจากแต่ละขั้นตอนกระบวนการล้วนผ่านการสะสมระยะยาวก่อนการระเบิดของ AI
ตัวส่งสัญญาณเลเซอร์ InP ทั่วโลกมีบริษัทเพียงไม่กี่แห่งที่สามารถผลิตเลเซอร์ EML ระดับสูงได้ในปริมาณมาก วงจรการขยายกำลังการผลิตอยู่ที่ 3-5 ปี นี่คือจุดที่จำกัดที่สุดของห่วงโซ่อุปทานทั้งหมด
กระบวนการ COUPE ของ TSMC กำลังสร้างอุปสรรคทางเทคโนโลยีในการรวมแบบสามมิติแบบไม่เหมือนกัน ผู้ตามหลังอย่างน้อยล้าหลังสองรุ่น และต้องใช้เวลาหลายปีในการสะสมประสบการณ์ด้านอัตราผลิตภัณฑ์ที่ดี
ระบบนิเวศของผู้ผลิตสัญญาณ PDK เมื่อลูกค้าทำการออกแบบที่ผู้ผลิตสัญญาณรายใดรายหนึ่งแล้ว ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนผู้ผลิตจะสูงมาก ต้องใช้เวลา 12-18 เดือนในการออกแบบใหม่และรับรองใหม่
การจัดการความร้อนและการห่อหุ้ม CPO ต้องจัดการการเชื่อมโยงของสามโดเมนทางฟิสิกส์—ไฟฟ้า ความร้อน และแสง—ภายในพื้นที่ไม่กี่มิลลิเมตร ซึ่งไม่สามารถทำได้หากไม่มีประสบการณ์การรวมระบบหลายปี
กระบวนการรับรองผู้จัดจำหน่ายจากบริษัทขนาดใหญ่เช่น AWS, Google มักใช้เวลา 12-24 เดือน เมื่อผ่านการรับรองแล้ว ความภักดีของลูกค้าจะสูงมาก
ความเสี่ยงและการคิดอย่างรอบคอบ
การเติบโตของทั้งห่วงโซ่อุตสาหกรรมขึ้นอยู่กับการใช้จ่ายทุนของผู้ให้บริการคลาวด์ขนาดใหญ่ห้าราย ได้แก่ Microsoft, Google, Meta, Amazon และ Oracle
เส้นทางเทคโนโลยีมีความสามารถทดแทนกันได้ เช่น LPO (Linear Pluggable Optics), CPO (Co-Packaged Optics), OCS (Optical Circuit Switching), Optical I/O (Optical Input/Output) หากเส้นทางใดเส้นทางหนึ่งถูกแทนที่โดยอีกเส้นทางหนึ่ง ทุนที่ลงทุนไปก่อนหน้านี้อาจเผชิญกับการลดมูลค่าตามอายุการใช้งาน
สถาบันวิจัยอย่าง LightCounting ประเมินว่าการติดตั้ง CPO ขนาดใหญ่จริงๆ จะเกิดขึ้นหลังปี 2028 และก่อนหน้านั้นจะมีการใช้แนวทางการเปลี่ยนผ่านเช่น LPO เป็นหลัก
ดังนั้น การเดิมพันว่าอุตสาหกรรมจะชนะจึงปลอดภัยกว่าการเดิมพันว่าบริษัทเดียวจะชนะ