Gearbox 光模組（Gearbox Optical Module）

3 秒看懂

一句話定義： Gearbox 光模組 = 內建速率/通道變換晶片（Gearbox / DSP）的光收發模組，負責在主機側（Host-side）電氣介面與線路側（Line-side）光學介面之間做”變速”橋接——不同的通道數、不同的單通道速率、乃至不同的調變格式（NRZ↔PAM4），都靠這顆晶片完成轉換。

核心價值： 沒有 Gearbox，交換晶片的 SerDes 介面和光器件的驅動能力就無法”對齊”，整個鏈路跑不通。它是資料互聯速率代際升級過程中的關鍵膠水件。

3 分鐘產業解釋

為什麼需要”變速箱”？

想像一輛汽車：發動機（交換晶片/ASIC）輸出的轉速（電訊號速率/通道數）和車輪（光纖鏈路）需要的轉速不一樣，中間必須有一個變速箱來匹配。

在資料中心光互連中，這種”轉速不匹配”非常普遍：

場景	主機側電氣介面	線路側光學介面	是否需要 Gearbox
早期 100G CFP	10×10G NRZ	4×25G NRZ（WDM）	✅ 10→4 通道變換
100G QSFP28 CWDM4	4×25G NRZ	4×25G NRZ（WDM）	視設計而定
400G QSFP-DD FR4	8×50G PAM4	4×100G PAM4（WDM）	✅ 速率×通道雙變換
400G OSFP DR4	4×100G PAM4	4×100G PAM4	可簡化或免 Gearbox
800G OSFP / QSFP-DD800	8×100G PAM4	8×100G 或 4×200G	✅（方案相關）

注：上表為典型方案示意，具體模組設計因廠商、標準版本而異，部分配置可能採用線性驅動（Linear Drive）方案替代傳統 Gearbox DSP。

產業位置

 交換 ASIC                Gearbox 光模組                    光纖鏈路
┌──────────┐    電氣介面    ┌─────────────────────┐    光介面    ┌────────┐
│ SerDes   │──────────────▶│ [Gearbox/DSP]       │───────────▶│ 對端   │
│ Tx/Rx    │  (多通道NRZ    │  ↕ 速率變換          │  (少通道     │ 模組   │
│          │   或PAM4)      │  ↕ 通道對映          │   PAM4/     │        │
│          │               │ [Driver/TIA]        │   WDM)      │        │
│          │               │ [雷射器/PD]          │             │        │
└──────────┘               └─────────────────────┘             └────────┘

產業規模（定性）

全球資料中心光模組市場在 2023 年估計約 100–120 億美元量級[行業估算]，其中 100G 及以上速率的高速光模組佔據主要份額。
Gearbox 功能是絕大多數 200G/400G 模組的標配元件，800G 時代部分場景開始探索去 DSP 的線性方案。
Gearbox/DSP 晶片佔光模組 BOM 成本的顯著比例，在某些設計中是成本最高的單一器件[行業估算]。

15 分鐘專家深入

核心功能分解

Gearbox 模組內部的訊號處理鏈路可分為三個階段：

1. 主機側接收（Host-side Rx）

從交換 ASIC 的 SerDes 輸出接收多路電氣訊號
訊號格式通常為 NRZ（25G/通道時代）或 PAM4（50G+/通道時代）
需要 CDR（時鐘資料恢復）鎖定輸入訊號

2. Gearbox/DSP 核心處理

通道對映（Lane Mapping）： 將 N 路電氣通道對映到 M 路光學通道（如 8→4、4→4 等）
速率轉換： 若電氣通道和光學通道的單通道速率不同，需要 SerDes 重定時或 FEC 重編碼
調變格式轉換： 如電氣側 NRZ → 光學側 PAM4（或反之），DSP 完成符號對映、脈衝整形
FEC 處理： 多數方案會經過前向糾錯編解碼，增加冗餘以提升鏈路 BER 效能
均衡與補償： 包括 CTLE（連續時間線性均衡）、DFE（判決反饋均衡）、預加重等，補償PCB走線和聯結器帶來的訊號劣化

3. 線路側發射（Line-side Tx）

驅動雷射器（EML/DML/矽光調變器等）將電訊號轉換為光訊號
可能涉及 WDM（波長分波多工）合波，將多路光訊號複用到單根光纖

關鍵效能引數（定性）

引數	典型範圍	說明
Gearbox DSP 功耗	模組總功耗的重要組成部分	400G 模組總功耗通常在 8–12W 量級[行業估算]，DSP 佔比可觀
附加延遲	通常在幾十到幾百納秒量級	FEC 編解碼是主要延遲來源
支援 FEC 型別	KR4 FEC / KP4 FEC 等	代際越高，FEC 開銷和糾錯能力越強
電氣介面通道數	4 / 8 / 16 路	取決於模組 form factor 和速率
光學介面通道數	1 / 4 / 8 路	取決於 DR/FR/LR 標準

⚠️ 以上為定性描述和行業估計範圍，具體數值因晶片廠商、模組設計、工作條件差異較大。無充分公開資料來源，不列精確數字。

與”線性驅動”方案的關鍵區別

近年來一個重要趨勢是 LPO（Linear Pluggable Optics）/ 線性驅動方案——去掉 DSP/Gearbox 晶片，用純模擬線性電路驅動光器件：

維度	Gearbox/DSP 方案	線性驅動（Linear Drive）方案
訊號處理	數字域完整處理（CDR+FEC+EQ）	模擬域線性放大，無 CDR/FEC
功耗	較高	較低（省去 DSP 功耗）
延遲	較高（FEC 引入延遲）	極低（亞納秒級）
互操作性	標準化程度高	對主機側 SerDes 質量要求更高
成本	DSP 晶片成本顯著	模擬晶片成本較低
適用場景	通用互連、長距	AI 叢集短距互連（< 2km）
產業鏈成熟度	成熟	快速發展中，標準化進行中

技術原理

Gearbox DSP 內部架構（示意）

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     Gearbox / PAM4 DSP 晶片                      │
│                                                                  │
│  ┌─────────┐    ┌──────────┐    ┌───────────┐    ┌────────────┐ │
│  │ Host Rx  │    │  Lane    │    │   FEC     │    │  Line Tx   │ │
│  │ CDR +    │───▶│  Map &   │───▶│  Encoder  │───▶│  Driver    │ │
│  │ CTLE/DFE │    │  Rate    │    │  (KP4等)  │    │  + PAM4    │ │
│  │          │    │  Adapt   │    │           │    │  Modulator │ │
│  └─────────┘    └──────────┘    └───────────┘    └────────────┘ │
│       ↑                                              │          │
│  N lanes in                                    M lanes out       │
│  (e.g. 8×50G PAM4)                           (e.g. 4×100G PAM4) │
│                                                                  │
│  ┌─────────┐    ┌──────────┐    ┌───────────┐    ┌────────────┐ │
│  │ Line Rx  │    │  De-Map  │    │   FEC     │    │  Host Tx   │ │
│  │ CDR +    │◀──│  & Rate  │◀──│  Decoder  │◀──│  Driver    │ │
│  │ TIA+EQ   │    │  Adapt   │    │           │    │            │ │
│  └─────────┘    └──────────┘    └───────────┘    └────────────┘ │
│  M lanes in                                    N lanes out       │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘

訊號處理關鍵步驟

① NRZ → PAM4 轉換（以 25G NRZ → 50G PAM4 為例）

NRZ 訊號:   ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐
            │  │  │  │  │  │  │  │    每個符號攜帶 1 bit
         ───┘  └──┘  └──┘  └──┘  └──

PAM4 訊號:  ┌─┐┌─┐┌─┐┌─┐┌─┐┌─┐┌─┐
            │3││1││2││0││3││1││0│      每個符號攜帶 2 bits
            │ ││ ││ ││ ││ ││ ││ │      (4個電平: 0/1/2/3)
         ───┘ └┘ └┘ └┘ └┘ └┘ └┘ └──

效果: 2×25G NRZ (2×25 Gbps = 50 Gbps)
   → 1×50G PAM4 (1 symbol × 2 bits × 25 GBaud = 50 Gbps)
   通道數減半，單通道波特率不變，總頻寬相同

② 通道對映（Lane Mapping）

典型 400G-FR4 方案：

Host 側:  8 lanes × 50G PAM4 電氣
          = 8 × 50 Gbps = 400 Gbps 總頻寬

    ↓ Gearbox 對映 + FEC 編碼

Line 側:  4 lanes × ~106.25G PAM4 光學 (含 FEC 開銷)
          = 4 × ~106 Gbps ≈ 400+ Gbps (含冗餘)
          4路波長通過 CWDM4/WDM 複用到單根光纖

③ FEC 編碼的作用

輸入 BER (Raw BER):   ~10⁻⁴  (光鏈路典型)
        ↓ KP4 FEC (約 5.8% 開銷，淨編碼增益約 6.4 dB)
輸出 BER (Post-FEC):  &lt; 10⁻¹⁵ (滿足資料中心誤位元速率要求)

注：具體 FEC 型別（KR4/KP4/OFEC等）、編碼增益和開銷比例因標準和代際不同。上述 KP4 引數（約 5.8% 開銷，約 6.4 dB 編碼增益）對應 RS(544,514)，為典型值；具體實現可能略有差異。

技術演進史

里程碑時間線

2010-2012   │ 40G 時代（模組以直驅為主，Gearbox 概念未萌芽）
            │ 典型為 4×10G NRZ 端到端，無通道/速率變換需求
            │
2014-2016   │ 100G 時代開啟，Gearbox 概念萌芽並應用
            │ CFP/CFP2/CFP4 模組廣泛應用 Gearbox
            │ 10×10G NRZ → 4×25G NRZ (CFP)
            │ Gearbox 晶片主要由 Broadcom、Semtech 等提供
            │
2017-2018   │ 100G QSFP28 成為主流
            │ 4×25G NRZ 端到端，部分場景 Gearbox 簡化
            │ PAM4 調變開始在 400G 標準化中確立
            │
2019-2020   │ 400G 時代到來
            │ 8×50G PAM4 電氣 → 4×100G PAM4 光學（FR4/DR4）
            │ Gearbox + PAM4 DSP 成為核心
            │ 主要 DSP 供應商: Broadcom、Inphi（後被 Marvell 收購）、MaxLinear
            │
2021-2022   │ 400G 大規模部署，800G 標準推進
            │ 800G 方案: 8×100G PAM4 電氣，光學側配置多樣
            │ LPO（線性驅動）概念興起，挑戰傳統 Gearbox 方案
            │
2023-2024   │ 800G 部署加速，1.6T 標準討論
            │ 單通道 200G（PAM4 或 PAM6/PCS）成為下一代焦點
            │ Gearbox DSP 面臨功耗、成本、延遲的持續最佳化壓力
            │ 線性驅動方案在 AI 叢集短距場景獲得更多關注
            │
2025+       │ 1.6T 模組預計逐步成熟
            │ Gearbox 架構可能向更整合化演進（與交換 ASIC co-packaged）
            │ 線性驅動 vs. Gearbox 的路線之爭持續

技術代際躍遷的核心驅動力

代際躍遷	核心技術變革	Gearbox 角色變化
40G → 100G	NRZ 速率 10G→25G	通道變換需求出現
100G → 400G	NRZ → PAM4 調變	DSP 成為必需品，Gearbox + PAM4 處理合一
400G → 800G	單通道 50G→100G PAM4	功耗和成本壓力增大，線性方案興起
800G → 1.6T	單通道 200G（方案待定）	架構可能分化：DSP vs. Linear vs. CPO

技術路線對比

模組內部驅動方案對比

維度	傳統 Gearbox/DSP 方案	線性驅動（LPO）方案	CPO（共封裝光學）
DSP/Gearbox 晶片	必需	不需要	整合到交換封裝內
訊號處理域	數字	模擬	數字（整合）
模組功耗（400G 量級）	較高 [行業估算 8-12W]	較低 [行業估算 5-8W]	N/A（非獨立模組）
鏈路附加延遲	較高（~100-數百 ns，FEC 相關）	極低（~ns 級）	視實現而定
傳輸距離	靈活（DR/FR/LR 均可）	主要短距（< 2km 為主）	短距
互操作性	高（標準化完善）	對主機 SerDes 依賴性強	不適用（整合方案）
可插拔性	✅ 標準 form factor	✅ 標準 form factor	❌ 焊接在基板上
標準化成熟度	高（IEEE/OIF 標準覆蓋）	推進中（MSA 草案階段）	早期探索
主要適用場景	通用資料中心、DCI、長距	AI 訓練叢集短距互連	下一代超大規模交換
技術風險	低	中（SerDes 一致性挑戰）	高（封裝、熱管理挑戰）

不同速率方案的 Gearbox 需求

模組速率	典型電氣側配置	典型光學側配置	Gearbox 複雜度
100G	4×25G NRZ	4×25G NRZ	低（部分方案無需）
200G	4×50G PAM4	4×50G PAM4	低-中
400G	8×50G PAM4	4×100G PAM4	高（速率+通道變換）
800G	8×100G PAM4	8×100G 或 4×200G	高
1.6T	16×100G 或 8×200G	方案未定	極高 [預計]

注：上述配置為典型方案示意，實際產品設計因標準版本、廠商策略、客戶需求差異較大。1.6T 具體方案仍在標準化討論中。

上下游

產業鏈全景

上游（晶片/器件層）
├── Gearbox/DSP 晶片
│   ├── Broadcom（全球市佔領先）[行業估算]
│   ├── Marvell（收購 Inphi 後產品線完整）
│   ├── MaxLinear
│   └── 其他: Credo、Semtech 等
├── TIA / Driver 晶片
│   ├── Broadcom、MaxLinear、Semtech
│   └── MACOM
├── 雷射器晶片（EML/DML/VCSEL/矽光）
│   ├── Lumentum、Coherent（原 II-VI + Finisar）
│   ├── Broadcom（矽光）、Intel（矽光）
│   └── 源傑科技、光庫科技（中國供應商）
├── 光電探測器（PD/TIA）
└── 無源器件（透鏡、光纖陣列、WDM 濾波器等）

中游（模組整合層）
├── 國際廠商
│   ├── Coherent（全球份額領先）[行業估算]
│   ├── Lumentum
│   └── Cisco (Acacia)、Intel
├── 中國廠商
│   ├── 旭創科技（InnoLight）—— 全球份額前列 [行業估算]
│   ├── 新易盛（Eoptolink）
│   ├── 華工科技
│   ├── 海信寬頻（Hisense Broadband）
│   └── 光迅科技、劍橋科技等
└── 封測 / 組裝
    └── 光模組組裝測試環節

下游（應用層）
├── 雲端廠商 / 超大規模資料中心
│   ├── Google、Microsoft、Amazon、Meta
│   ├── 阿里巴巴、騰訊、字節跳動
│   └── AI 訓練叢集（GPU 互連）
├── 電信運營商（DCI 場景）
├── 企業資料中心
└── 裝置商
    ├── Cisco、Arista、華為、H3C
    └── Juniper、Nokia 等

關鍵物料成本結構（定性）

光模組 BOM 成本（典型 400G 模組示意）[行業估算，僅供參考]

┌──────────────────────────────────────────┐
│ Gearbox/DSP 晶片     ████████████ ~30-40% │  ← 成本佔比最高的單一元件
│ TIA + Driver 晶片    █████ ~15-20%        │
│ 雷射器/光器件        ████████ ~20-25%      │
│ 無源器件+結構件      ███ ~10%              │
│ PCB + 組裝測試       ████ ~10-15%          │
└──────────────────────────────────────────┘

> 具體比例因設計方案、採購規模、器件選型差異極大。

關鍵指標

衡量 Gearbox 光模組的核心引數

指標類別	具體引數	重要性說明
效能	通道速率（Gbps/lane）	決定總頻寬上限
	調變格式（NRZ/PAM4/其他）	影響頻譜效率和 DSP 複雜度
	BER（Pre-FEC / Post-FEC）	Post-FEC BER 需 <10⁻¹⁵（典型要求）
	傳輸距離（m / km）	DR/FR/LR 標準劃分
功耗	模組總功耗（W）	直接影響資料中心散熱和運營成本
	每位元功耗（pJ/bit）	跨速率可比性指標
DSP 相關	FEC 型別及開銷	KP4 約 5.8% 開銷；影響有效頻寬
	DSP 延遲	對 AI 訓練互連尤為敏感
	均衡能力（EQ taps 數量）	決定對 PCB 走線劣化的容忍度
物理	Form Factor（QSFP-DD / OSFP 等）	決定埠密度
	工作溫度範圍	商用級 / 工業級要求不同
	可靠性（FIT 率）	大規模部署的關鍵指標

供需與市場資料

⚠️ 重要宣告： 以下市場資料來自行業估算和公開報道的粗略口徑，不同來源口徑差異較大，僅作趨勢參考，不作為精確資料引用。

需求端驅動

AI 叢集建設浪潮： 大語言模型訓練需要大規模 GPU 互連網路，對 400G/800G 光模組需求激增。單個萬卡 GPU 叢集可能需要數萬只高速光模組[行業估算]。
雲端廠商資本支出增長： 北美四大雲端廠商（Google、Microsoft、Amazon、Meta）近年資本支出顯著增長，其中網路基礎設施（含光模組）是重要組成部分。
資料中心內部流量持續增長： 東西向流量（伺服器間通訊）佔比持續提升，推動高速互連需求。

供給端格局

DSP 晶片供給相對集中： Broadcom 和 Marvell 在 PAM4 DSP/Gearbox 市場佔據主導份額[行業估算，具體比例未充分揭露]，形成一定程度的供給瓶頸。
光模組製造產能向中國集中： 中國廠商（旭創、新易盛等）憑藉成本和產能優勢，在全球市場份額持續提升[行業估算]。
關鍵上游器件： EML 雷射器晶片、高速 TIA 等仍存在供給集中度較高的情況。

市場規模趨勢（定性）

高速光模組市場（100G+）增長趨勢 [行業估算方向]

市場規模
  ↑
  │                          ★ 800G/1.6T 驅動
  │                     ★ 400G 規模部署
  │                ★ 400G 初期
  │           ★ 100G 主力期
  │      ★ 40G/100G 早期
  │
  └──────────────────────────────────▶ 時間
  ~2016    ~2019    ~2022    ~2025

> 整體呈持續上升趨勢，AI 需求帶來額外增量
> 具體數字請參考 LightCounting、Yole 等市場研究報告

代表公司與資本對映

晶片層

公司	角色	資本市場	備註
Broadcom (AVGO)	Gearbox/PAM4 DSP 龍頭	NASDAQ: AVGO	同時覆蓋交換 ASIC + 光通訊晶片
Marvell (MRVL)	PAM4 DSP 主要供應商	NASDAQ: MRVL	2021 年收購 Inphi，獲得 PAM4 DSP 產品線
MaxLinear (MXL)	PAM4 DSP 參與者	NASDAQ: MXL
Credo Technology (CRDO)	高速連線晶片	NASDAQ: CRDO	覆蓋 AEC、Gearbox 等產品
Semtech (SMTC)	訊號完整性晶片	NASDAQ: SMTC

模組層

公司	角色	資本市場	備註
Coherent (COHR)	全球光模組龍頭之一	NASDAQ: COHR	原 II-VI + Finisar 合併
Lumentum (LITE)	光器件/模組供應商	NASDAQ: LITE
旭創科技 (InnoLight)	全球份額前列的光模組廠商	A股: 300308.SZ	AI 驅動 800G 模組出貨增長
新易盛	中國高速光模組主要廠商	A股: 300502.SZ
華工科技	光模組及雷射器	A股: 000988.SZ
光迅科技	光器件/模組	A股: 002281.SZ
海信寬頻	光模組廠商	非上市（海信集團旗下）
Cisco (CSCO)	收購 Acacia，覆蓋光模組+DSP	NASDAQ: CSCO

裝置/終端層

公司	角色	資本市場
Arista Networks (ANET)	資料中心交換裝置	NYSE: ANET
華為	交換裝置 + 自研光模組能力	非上市
中際旭創等下游客戶	雲端廠商/AI 公司	—

⚠️ 以上為截至撰寫時的公開資訊，不構成投資建議。公司產品線和市場地位可能隨時間變化。

投資邏輯

看多邏輯

AI 算力需求 → 光模組需求確定性高： GPU 叢集的 scale-out 網路必須依賴高速光互連，400G/800G 光模組需求與 AI 資本支出直接掛鉤。
速率升級 → ASP 提升： 從 400G 到 800G 再到 1.6T，單模組價值量提升，有利於模組廠商營收增長。
DSP 晶片格局集中 → 晶片廠商議價能力強： Broadcom、Marvell 在 Gearbox/DSP 晶片市場佔據主導，毛利率較高。
中國廠商份額提升： 旭創、新易盛等在全球份額持續增長，價效比優勢明顯。

關注風險

線性驅動（LPO）的替代威脅： 若 LPO 在 AI 短距場景大規模替代 DSP 方案，傳統 Gearbox 晶片需求可能受到衝擊。
CPO（共封裝光學）遠期顛覆： CPO 將光學引擎整合到交換晶片封裝中，長期可能改變模組形態，但短期內不太可能大規模落地。
供給側集中風險： EML 雷射器、DSP 晶片等關鍵上游器件供給集中，可能形成產能瓶頸或地緣政治風險。
技術路線不確定性： 1.6T 及以上速率的技術方案（PAM4 vs. PAM6 vs. PCS 等）尚未完全明確，投資視窗存在不確定性。
競爭加劇與價格壓力： 光模組行業歷史上有較強的週期性，產能擴張後可能面臨價格競爭。

關鍵追蹤指標

北美雲端廠商季度資本支出（尤其 AI 相關）
400G/800G 光模組出貨量季度資料
DSP 晶片供應商（Broadcom、Marvell）光通訊業務營收
LPO 標準化和商用化進展
CPO 原型和試產進展

常見誤讀糾偏

❌ 誤讀 1：“Gearbox 就是 DSP，DSP 就是 Gearbox”

✅ 糾正： 兩者有交集但不完全等同。

Gearbox 最狹義的定義是”通道數/速率變換器”——純粹做 lane mapping 和 rate conversion，不一定包含複雜的 DSP 功能。
PAM4 DSP 則是完整的數字訊號處理器，包含 CDR、均衡、FEC、調變解調等全套功能。
在現代高速模組（400G+）中，Gearbox 功能通常被整合在 PAM4 DSP 晶片內部，因此業界常將二者混用。但在早期 100G 時代，存在獨立的 Gearbox 晶片（僅做通道對映，不做 PAM4 處理）。
結論： Gearbox 是 DSP 的一個子功能，現代 DSP 晶片是 Gearbox 功能的超集。

❌ 誤讀 2：“有了 LPO，Gearbox 光模組就要被淘汰了”

✅ 糾正： LPO 不是萬能替代方案，二者將長期共存。

LPO 依賴主機側 SerDes 的高質量模擬輸出，對 PCB 走線長度、聯結器損耗、溫度變化等更為敏感，魯棒性不如 DSP 方案。
LPO 目前主要針對 AI 叢集內部短距互連（通常 < 2km），在長距傳輸（DCI、都會網路）場景中 DSP/Gearbox 方案仍然不可替代。
IEEE 802.3 和 OIF 等標準組織對 LPO 的標準化仍在進行中，互操作性保障尚不完善。
結論： LPO 會在特定場景（短距、低延遲）分流部分市場，但 Gearbox/DSP 方案仍是通用場景的主力。

❌ 誤讀 3：“Gearbox 晶片技術含量不高，就是簡單的訊號轉發”

✅ 糾正： 現代 PAM4 DSP/Gearbox 晶片是極其複雜的混合訊號 SoC。

需要在極高速率（100G+/lane）下完成模數轉換、數字均衡、FEC 編解碼等功能。
對訊號完整性、時鐘抖動、功耗控制的要求極為嚴苛。
設計涉及深亞微米工藝（通常需要先進工藝節點），模擬與數字混合設計挑戰大。
這也是為什麼全球能做高階 PAM4 DSP 的公司屈指可數。

❌ 誤讀 4：“Gearbox 光模組只用於電信骨幹網”

✅ 糾正： 主要應用場景是資料中心內部互連，而非傳統電信骨幹網。

資料中心內部伺服器到 ToR（架頂交換器）、ToR 到 Spine（匯聚交換器）之間的互連是 Gearbox 光模組最大的應用市場。
電信骨幹網的長距傳輸通常使用相干光通訊技術，與 Gearbox/PAM4 是不同的技術路線。
DCI（資料中心互連）的中距場景也會使用 PAM4 Gearbox 模組，但距離較短。

學習路徑

入門階段

理解資料中心網路架構（Spine-Leaf 拓撲）和光模組的定位