文章核心观点 - 谷歌通过其“阿波罗计划”在数据中心大规模部署光电路交换机，旨在用光路取代传统电分组交换，以显著降低成本、功耗和延迟，并提升网络性能与可重构性 [3][25][27] - 光电路交换技术是未来数据中心网络和机器学习超级计算机的关键发展方向，目前存在多种器件技术路径，各有优劣，尚未出现全面最优的单一方案 [3][7][9] - 谷歌的自研与定制化策略是OCS成功大规模部署的关键，涵盖了从MEMS反射镜、光环形器到收发器的全链条硬件，以及名为Orion的集中式软件控制平面 [32][33] 背景：电分组交换与光电路交换的对比 - **电分组交换**：基于电子芯片，数据包在共享内存中排队并逐包进行本地路由决策，导致传输时延可变且多跳路径效率较低，在成本、时延和可扩展性上存在限制 [3][5] - **光电路交换**：在输入与输出端口间建立端到端光路，数据始终在光域传输，时延固定且一致，对速率不敏感，同一交换机可跨多代光收发器使用，但需要复杂的集中式控制平面 [5] 现有商用与研发中的光交换器件技术 - **三维自由空间交换机（商用主流）**： - 基于MEMS反射镜的交换机端口数达384个，插入损耗低于3 dB，驱动电压低于200 V，切换时间为毫秒级 [8] - 基于压电驱动的交换机端口数达576个，插入损耗低于3 dB，驱动电压低于100 V [8] - 基于液晶的交换机端口数在64至512个之间，插入损耗低于3 dB，驱动电压低于10 V [8] - **二维平面波导交换机（研发阶段）**： - 硅光子技术交换机端口数32个，插入损耗5-10 dB，切换时间纳秒至微秒级，驱动电压≤5 V [8] - 异质集成技术交换机端口数2个（可扩展至64个），插入损耗低至0.13 dB，切换时间纳秒级，驱动电压3.1 V [8] - 硅光子MEMS交换机端口数240个，插入损耗低于9 dB，切换时间小时级，驱动电压低于50 V [8] - 波长交换技术端口数100个，插入损耗低于6 dB，切换时间纳秒级，无需驱动电压 [8] 谷歌“阿波罗计划”的具体实施与优势 - **核心硬件——定制MEMS OCS系统**： - 每个反射镜阵列包含176个定制微型反射镜，实际使用136个，可实现18,496种输入输出组合 [30] - 系统最大功耗108瓦，远低于同类电分组交换机的约3000瓦功耗 [30] - 过去几年已部署数千套OCS系统，被认为是全球规模最大的OCS应用 [31] - **全链条定制开发**： - 开发了定制的MEMS反射镜、光纤准直器、光芯及测试对准设备 [32] - 自研了定制光环形器，可将所需光纤数量减半 [32] - 共同设计了跨越40、100、200、400GbE四代速度的低成本、高能效波分复用收发器，以平衡插入损耗 [32] - **软件与控制平面**： - 扩展了名为Orion的软件定义网络层，以逻辑集中化的方式管理直接连接拓扑和实时流量工程 [33] OCS技术带来的系统级效益 - **成本与功耗**：相比EPS系统，OCS的资本支出成本下降高达70%，能耗显著降低 [37] - **升级灵活性与兼容性**：OCS对数据速率不敏感，不同代的收发器可在同一网络中运行，无需为升级速度而更换整个交换机或中断数据中心运营 [36][37] - **性能提升**：通过尽可能将数据保留在光域中传输，减少了电光转换次数，降低了通信延迟 [27][29] 面临的挑战与未来方向 - **重配置时间**：OCS的镜子重配置需要几秒钟，不如电分组交换灵活，谷歌通过利用数据中心内长期稳定的“超级块”间通信模式来减少重配置频率 [35] - **技术演进目标**：公司正致力于开发端口数量更多、插入损耗更低、重配置速度更快的OCS系统，并探索将光路重配置进一步下推至机架顶部级别的方法 [37]

文章核心观点 - 光路交换机（OCS）作为全光交换创新方案，凭借无需光电转换的特性，在低功耗、低延迟和高兼容性方面显著优于传统电交换机，正逐步在数据中心和AI集群中实现产业化应用，潜在市场规模预计达20亿美元 [2][4][7] - 谷歌通过自研OCS技术，在Jupiter数据中心网络和TPU集群中成功部署OCS，实现网络吞吐量提升30%、功耗降低40%以及资本开支减少30%，为行业提供了技术落地范例 [3][18][19] - OCS技术路径尚未完全收敛，主要包含MEMS、数字液晶（DLC）和压电陶瓷直接光束偏转等方案，其中MEMS技术成熟度最高且应用最广，但各技术方案在切换时间、端口数量和成本方面存在差异 [7][11][15] - 行业生态向开放化发展，2025年7月开放计算项目（OCP）成立OCS子项目，成员包括谷歌、微软、英伟达等巨头，推动OCS标准化和规模化应用，Cignal AI预计到2029年OCS市场规模将超过16亿美元 [4][29][30] OCS技术原理与优劣势 - OCS直接对光信号进行物理路径重构，在输入/输出端口间建立专用光路，无需光电转换，时延低至数十纳米（电交换机为百微秒），单端口功耗小于1W（电交换机大于10W） [7][10] - OCS具备协议与数据无关的透明性，支持跨代际设备无缝互联，且整机芯片数量少，故障率低于电交换机，可通过软件定义物理层实现冗余端口切换 [7][10] - 技术局限性包括光路切换时间长（MEMS方案为几十毫秒）、通道灵活性低导致带宽资源闲置、前期成本高以及插入损耗问题 [7][10] - 当前主流技术方案包括MEMS（端口可达320×320，切换时间几十毫秒）、数字液晶DLC（端口300×300，切换时间几百毫秒）和压电陶瓷DLBS（端口576×576，切换时间几毫秒） [7][11][15] OCS应用场景 - 谷歌在Apollo项目中用OCS替换数据中心核心层或spine层电交换机，实现不同代际汇聚交换机模块（100G/200G/400G/800G）间低成本高效互联，网络吞吐量提升30%，功耗降低40% [18][19] - 在TPU v4集群中，OCS用于64个cube（共4096个TPU芯片）间跨cube通信，构建3D环面网络拓扑，相比电交换降低功耗3.5倍，成本仅增加10%，硬件成本低于系统总成本的5% [19][21][22] - OCS支持动态绕过故障单元，提升集群可用性，并允许不同速率TPU节点异构互联，满足增量部署需求 [22] - 谷歌TPU v7（Ironwood）集群延续3D Torus架构，通过OCS连接144个cube（9216个芯片），需13824条光纤链路，若OCS端口升级至288规格，需配置48个OCS [27] OCS产业进展 - 谷歌在过去五年投资5-10亿美元于OCS技术，华为推出基于MEMS的全光交换机，曦智科技联合中兴通讯发布光交换GPU超节点解决方案，突破电互连物理限制 [29] - Lumentum在2Q25向两家超大规模云厂商出货OCS，第三家客户即将出货，预计业务未来贡献数亿美元收入且利润率高于公司平均水平 [30] - Coherent基于数字液晶技术的OCS在2Q25产生初始收入，预期2H25-2026年持续增长 [30] - Cignal AI预计2025年前谷歌为主要OCS采用方，未来更多厂商将投资该领域，2029年市场规模超16亿美元 [4][30] OCS核心部件与产业链 - OCS核心部件包括MEMS芯片（实现光束精准反射）、光环形器（单光纤双向通信减半布线）、光纤阵列单元（FAU）（高精度光纤耦合）、波分复用器（WDM）（减少光纤用量）和滤光片（波长选择） [32][33][36] - 产业链涵盖MEMS芯片、光学器件、光纤光缆及整机代工环节，OCS渗透有望为相关环节贡献增量空间 [32]

行业定义与核心特性 - 磁光材料是在磁场作用下改变光传播特性的功能材料 典型表现为法拉第效应 即光的偏振方向沿传播方向发生旋转[1] - 广泛应用于光隔离器 光环形器 磁光调制器等非互易光学器件 是光通信 激光系统 量子信息等领域不可或缺的关键材料[1][3] - 常见材料包括掺铋石榴石(Bi:YIG) 铽镓石榴石(TGG) 铋锗氧化物玻璃等 具有高Verdet常数 低光学损耗和良好热稳定性[1][5] 行业发展特点 - 技术壁垒高 涉及复杂晶体生长与薄膜制备技术 对材料纯度 结构均匀性和磁光性能要求极高 研发周期长[2] - 国产化进程加速 国内企业和科研机构积极推动稀土磁光晶体及薄膜材料的自主研发和产业化[2] - 市场竞争加剧 欧美 日本企业在高端市场占据优势 中国企业在中低端市场快速崛起[2] 市场规模与增长 - 2024年全球磁光材料市场规模为0.99亿美元 预计2031年将达到1.75亿美元[6] - 2025-2031期间年复合增长率(CAGR)为8.50%[6] 产品类型结构 - 按产品类型分为TGG RIG和其他[10] - RIG市场较大 预计到2031年 TGG和RIG将分别占据全球66.93%和26.83%的市场份额(以收入计)[10] 下游应用分布 - 磁光材料广泛应用于通信 工业激光等领域[10] - 通信市场占据主导地位 2024年通信市场占据64.06%的市场份额(按收入计)[10] 地区市场分布 - 亚太和北美是主要消费地区 2024年分别占据全球53.81%和29.27%的市场份额(以产量计)[9] 竞争格局 - 市场由美国和日本企业主导 全球代表性企业包括Coherent高意 Granopt OXIDE 福晶科技等[7] - 行业高度集中 全球前两大企业2024年市场份额约为87%(按收入计算)[7] - 中国企业已具备TGG和YIG等关键材料的量产能力[7] 技术发展趋势 - 研究朝向高性能化 集成化和功能拓展方向发展 传统磁光晶体如TGG Bi:YIG等仍是重点[5] - 磁光薄膜与片上集成技术成为热点 推动低温沉积 纳米结构调控和硅光兼容性研究[5] - 新型材料体系如拓扑绝缘体 二维磁性材料和磁光玻璃等正在探索中[5] 行业发展机遇 - 5G/6G网络及数据中心发展带动光通信对高速 高稳定性器件的需求激增[6][11] - 国家"十四五"新材料规划等政策支持功能材料产业发展[11] - 磁光存储技术(如热辅助磁记录HAMR)成为研究热点 高Kerr效应材料有望成为下一代高密度存储介质关键材料[11]

磁光材料概述 - 磁光材料能够在磁场作用下改变光的传播特性，尤其是偏振状态，典型表现是法拉第效应[1] - 主要应用于光隔离器、光环形器等非互易光学器件，在光通信、激光系统和量子信息技术中起关键作用[1] - 典型材料包括掺铋石榴石（Bi:YIG）、铽镓石榴石（TGG）和铋锗氧化物玻璃等[1] 行业发展趋势 - 研究重点包括提高Verdet常数、降低损耗和提升热稳定性，同时磁光薄膜与片上集成技术成为热点[2] - 新型材料体系如拓扑绝缘体、二维磁性材料和磁光玻璃正在探索中[2] - 应用层面需求推动高损伤阈值、低插损、高隔离度器件的开发[2] - 国产化进程加快，TGG和Bi:YIG等关键材料已取得一定工程化进展[2] 市场规模与增长 - 2024年全球磁光材料市场规模约为0.99亿美元，预计2031年将达到1.75亿美元[3] - 2025-2031年期间年复合增长率（CAGR）为8.50%[3] 市场竞争格局 - 市场由美国和日本企业主导，全球代表性企业包括Coherent高意、Granopt、OXIDE、福晶科技等[5] - 行业技术壁垒高，集中度高，前两大企业2024年市场份额约为87%[5] 产品类型细分 - 主要产品类型包括TGG和RIG，其中RIG市场较大[10] - 预计到2031年，RIG和TGG将分别占据全球66.93%和26.83%的市场份额[10] 应用领域细分 - 主要应用于通信和工业激光等领域[12] - 2024年通信市场占据64.06%的市场份额[12] 主要厂商与地区 - 主要厂商包括Coherent、Granopt、OXIDE、福晶科技、致卓光电、科瑞思创等[15] - 重点关注地区包括北美、欧洲、中国、日本、东南亚和印度[15]