光模块MCU市场，兆易创新强势崛起

在人工智能的推动下，算力基础设施的需求水涨船高。这除了带来了GPU的繁荣以外，作为重要连接枢纽的光模块销量也暴涨。
 
据光通信行业市场研究机构LightCounting提供的最新数据显示，虽然电信市场疲软，但在人工智能的驱动下，超大规模云计算厂商的需求持续强劲，使得光模块市场在2024年第二季度达到26亿美元以上的新高，预计整个2024年以太网光模块的销售额将大幅增长40%以上。展望未来，LightCounting预计今年ICP（ Internet Content Provider ）的支出将继续增长。到2029 年，光模块市场规模将达到 65 亿美元。由此可见，围绕光模块做生意，在未来大有可为。
 


值得庆贺的是，在多年的发展过程中，中国厂商已然成为当中重要的玩家。如上图所示，根据LightCounting公布的最新版的2023年榜单，在全球TOP 10的光模块厂商中，有7家是中国厂商。
 
但与此同时，我们也应该认识到，藏在这个傲人成绩的背后，还有一些真实情况令人揪心。
 
光模块崛起背后，芯片不可控
 
所谓光模块，是光纤通信中的重要组成部分，是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件。
 
根据维基百科介绍，光模块是一种典型的热插拔光学收发器，常被用于高带宽数据通信应用，通常在连接到系统内部的一侧具有电气接口，在通过光纤电缆连接到外部世界的一侧具有光学接口。外形尺寸和电气接口通常由相关团体使用多源协议(MSA) 指定。在实际应用中，光学模块可以插入前面板插座或板载插座。有时光学模块被电气接口模块取代，该模块实现与外部世界的主动或被动电气连接。
 

光模块的工作原理框图
 
从原理上看，作为工作在OSI模型的物理层，光模块主要由光电器件（光发射机和光接收机）、功能电路、光孔组成，在光信号传输时，其主要作用是进行电信号和光信号的相互转换。
 
在具体工作过程中，首先由内部驱动芯片对发送光口以特定码率接收到的电信息进行处理，经过处理后，由驱动器的半导体激光二极管（LD）或发光二极管（LED）以适当的速率发射调制光信号，光信号通过光缆进入接收光口后，由光电检测二极管将光信号转换回电信号，经过前置放大器后，以适当的码率输出电信号。
 
其中，TOSA用于光模块中实现电光转换、ROSA主要作用是将光信号转换为电信号；LDD则是光模块中的驱动器件，它可以把CDR输出的信号转换成相应的调制信号，驱动激光器发出光信号；CDR主要有两个作用：一是给接收端各个电路提供时钟信号、二是对接收到的信号进行判断，方便数据信号恢复和后续处理；TIA是放大器的一种，位于光模块中探测器的最前端，探测器将光信号转换成电流信号，而TIA将电流信号处理成一定幅度的电压信号；LA的作用是将变化的输出幅度处理成等幅度的电信号，从而向CDR提供稳定的电压信号。在高速模块中，LA通常与TIA或CDR集成在一起。
 
除了上述的器件以外，在光模块之中，还有一个MCU，其主要的作用是负责软件的运行、DDM的监控以及一些特定的功能。据了解，DDM功能主要实时监控温度、Vcc电压、Bias电流、Rx功率、Tx功率五个模拟信号，通过这些参数判断光模块的工作情况，方便光通信链路的维护。
 
如上所述，虽然光模块不是很简单，组件也繁多，但在本土厂商的深耕下，我们在这个市场已经取得了不错的成绩，但和很多应用一样，我国厂商在光模块的芯片方面，还是有所欠缺。例如在光模块的DSP方面，目前主要是被博通等海外厂商把持。
 
其实除了这些人尽皆知的部件外，光模块里的MCU在过去也是外商统治的市场。
 
兆易创新MCU事业部高级市场经理柯亚军在早前的光博会期间告诉半导体行业观察，在光模块的MCU市场，过去主要是由ADI和Silicon Labs这些外商的天下，很难见到中国厂商的身影。
有见及此，兆易创新自2019年以来，就开始深耕这个市场。历经多年的钻研和市场积累，公司也终于为中国的光模块厂商带了国产MCU的支持。
 
光模块MCU，兆易创新的水到渠成
 
成立于2005年的兆易创新是一家致力于开发存储器技术、MCU、传感器和模拟产品及解决方案的领先的无晶圆厂半导体公司。公司的核心产品线包括了存储器（Flash、利基型 DRAM）、32 位通用型 MCU、智能人机交互传感器、模拟产品及整体解决方案，产品以“高性能、低功耗”著称，为工业、汽车、计算、消费类电子、物联网、移动应用以及网络和电信行业的客户提供全方位服务。
 
具体到MCU方面，据了解，兆易创新的GD32MCU 已经发展成为 32 位通用 MCU 市场的核心之选，并以累计超过 15.7 亿颗的出货数量，超过 2 万家客户数量，51 个系列 600 余款产品选择所提供的广阔应用覆盖率稳居中国本土首位，现全球市场占有率排名第七。
 
正是因为拥有如此深厚的积累，兆易创新有能力将触角伸向了光模块MCU市场。
 
因为MCU在光模块充当监控和管理的工作，所以其可靠性、功能和成本平衡是设计MCU必须要面对的头等大事；其次，因为光模块本身很小，这就限制了光模块MCU的设计尺寸；第三，这类MCU的外设要求也相对特别（如需要较多的DA、如通过I2C而不是UART通信）；此外，光模块MCU还要求支持双电压域。
 
“上述种种原因，提高了光模块MCU的门槛。但在观察到产业需求之后，拥有了多年经验的兆易创新义无反顾地投入到这个市场，并开发出了足以媲美海外巨头的光模块MCU产品”，柯亚军进一步指出，在当时，厂商还在用八位MCU来做光模块的市场，兆易创新便开始采用32位的设计，叠加以往的经验，就让公司的该系列产品在推出来以后受到了客户的广泛支持。
 
据透露，迄今为止，兆易创新光模块MCU现在的出货量级已经到千万量级。
 
为了更好地支持客户，兆易创新在日前的光博会上带来了GD32E501系列光通信专用MCU和GD32E232系列超值型MCU的展示。
 
首先看兆易创新的GD32E501系列。据介绍，这是一系列基于ARM Cortex-M33内核的MCU，内置的512KB双Bank闪存可以支持同时读写（RWW，Read while write）功能，还提供了3路高达1M速率的I²C接口、内存保护单元（MPU）、可编程逻辑单元（CLA）、I²C bootloader等高级特性，以及用于以太网PHY管理的MDIO接口。
 
正是得益于这些丰富的外设，让兆易创新GD32E501系列光通信专用MCU自2020年初量产以来，已在多个关键领域得到广泛应用，包括数据中心/云服务器、50G前传、50G PON和传输网络等。而为了适应光模块小型化发展趋势，该系列MCU还提供了BGA64和QFN32封装选项，尺寸仅为4mm x 4mm，有助于实现紧凑设计。
 
再看基于Cortex-M23内核、主频高达72MHz的GD32E232系列。据介绍，这系列MCU提供了多至4路12位精度的DAC输出，无需借助外部数字电位器，缩减了PCB尺寸和BOM成本。
 
为了确保模拟信号的精确测量，该芯片还集成了12位2.6MSPS采样率的高性能ADC，具备多达16个可复用通道，并支持16位硬件过采样滤波功能和可配置的分辨率。配备的可编程逻辑阵列（CLA）能够实现简单的组合逻辑和顺序逻辑运算，有助于增强信号处理的实时性。
 
兆易创新表示，除光模块外，该产品也适用于光收发器、接入网等工控系统，能够实现全面的数字化控制，并确保对光驱动器的精确控制和过程监测。而在封装选择上，该系列MCU提供了4mm x 4mm和3mm x 3mm的小型封装选项，以满足不同空间限制的需求。
 
写在最后
 
柯亚军在与半导体行业观察交流时一再强调了当前环境下打造国产光模块MCU的必要性，并重申了公司会持续发力这个市场的决心。他表示，在任何芯片市场，如果没有竞争对手，那么我们就需要付出高额的成本。而且，从国际竞争格局来看，拥有了本土的光模块MCU，进一步提升了本土供应链的可靠性。
 
兆易创新方面也承诺，随着光模块产品向方案级小型化、高度集成化方向发展，兆易创新还将继续丰富产品阵容，并提供专业的技术服务，满足光模块的升级迭代需求。
 
“除了MCU之外，我们还有Flash和模拟产品，凸显了公司在产品协同创新方面的技术优势。展望未来，我们会围绕这些领域去增强我们的实力，去跟国际竞争对手在包括光模块MCU在内的多个市场展开竞争，我们对此非常有信心。”柯亚军说。