交换机行业概述及技术趋势（2023）

本文来源“交换机专题：数字经济底座核心网元，受益AI加速发展”,详细介绍了交换机行业5大技术趋势。

交换机是新一代基础设施重要网络设备，在网络中负责数据汇聚与转发，主要应用在数据中心、园区、工业等领域，行业正受益政企加速数字产业化转型，互联网大厂加大智算投入、运营商加大算力资本开支。根据我们预测，在AI大模型下A100和H100拉动交换机增量弹性分别为19%和10%。

2022年我国商用交换机市场规模超510亿元，头部厂商是华为、新华三、锐捷网络。根据IDC数据，2022年交换机全球市场规模超3000亿元；我国市场规模超510亿元。

从竞争格局看，2022年我国交换机厂商市占率前三分别为华为（36%）、新华三（32%）、锐捷网络（15%）。新华三与华为在数据中心、企业网、运营商市场均有较大优势，且高端产品核心竞争力强；锐捷网络在中小企业客户优势明显，近些年大力发展运营商和中小型企业市场，是较早布局白盒交换机的企业。

在AI催化下，短期看英伟达AI方案带动IB交换机需求提升，长期看IB和以太网交换机方案共存。英伟达作为AI领域主流厂商，其推广的IB交换机（子公司Mellanox为IB交换机领先厂商）有望带动IB需求提升；同时，英伟达也推出了以太网交换机方案，思科、博通等近期发布高速率以太网方案应对AI需求，成为IB的另一种网络方案。我国厂商华为、新华三近期也发布了支持800G的数据中心交换机新品，以面对AI智算需求发展。

一、交换机行业概述

交换机作为各种类型网络终端互联互通的关键设备，下游应用场景广泛。根据应用不同场景不同可分为：

➢ 园区企业交换机作为连接个人、家庭与社会关系的纽带，横跨教育、医疗、金融等多个行业，对核心设备的超宽、融合能力提出更高诉求。

➢ 数据中心交换机主要用于支持数据中心网络组网，支持较为丰富的数据中心特性。

➢ 工业交换机针对工业应用需求提供组网设备，要求耐高低温能力强、抗干扰能力更强、更高的可靠性稳定性安全性等，其广泛运用至工业控制、制造业、能源电力、智慧交通等领域。

我国交换机2022年市场规模达到510亿元，其中数据中心交换机占比48%，非数据中心交换机占比52%。

二、交换机行业技术趋势

技术趋势一：无损数据中心解决方案驱动高速率交换机发展

RDMA(Remote Direct Memory Access)技术为了解决网络传输中服务器端数据处理的延迟而产生的技术。传统TCP/IP协议栈处理时延大，服务器CPU负载居高不下，RDMA可以将用户应用数据直接传入服务器存储区，解决时延问题。RDMA网络目前应用比较广泛的是InfiniBand（英伟达数据中心网络架构核心技术）和RoCE (RDMA over Converged Ethernet)。

华为、新华三、锐捷网络等头部厂商基于RDMA技术发布无损数据中心解决方案。新华三发布SeerFabric智能无损数据中心解决方案，基于云边AI协同架构，借助AI智能学习为不同业务场景构建智能无损控制模型，可提供大带宽、低时延、零丢包的精确转发和可确定性网络体验。

华为AI Fabric基于开放以太网，通过独特的AI芯片和算法，使以太网络同时满足低成本，0丢包和低时延要求。核心交换机CloudEngine16800内嵌AI芯片，提供8TFlops的计算能力。

英伟达不断迭代IB交换机以及NVLink技术，以支持更高的网络传输速率。H100 GPU使用第四代NVLink技术，每一个lane具有112Gbps带宽，比PCIe Gen5一个lane带宽高出3倍，H100 GPU使用Quantum QM9700 InfiniBand交换机，该交换机支持速率400G英伟达同时更新Spectrum系列（支持以太网协议），以支持横向扩展的AI服务。英伟达CEO在宣布GH200的同时还发布了Nvidia Spectrum-X(一种新型以太网交换机)，是世界上第一个专门为AI网络建立的51Tb/sec以太网交换机。

华为不断迭代CloudEngine系列数据中心交换机助力客户加速智能化转型。华为于今年4月发布了首款800GE数据中心核心交换机——CloudEngine 16800-X系列。loudEngine 16800-X 系列实现了超融合承载，总运营成本降低 36%；超加速网络，全场景应用性能提升 20%；超强悍性能，800GE ready 面向未来十年平滑升级。

新华三在6月9日领航者大会上推出新产品是智算网络“利器”——全球首发51.2T 800G硅光数据中心交换机。在AIGC时代的大规模集群运算背景下，需要万台服务器之间的海量数据交换、亿万计算并行，如何最大限度降低时延和能耗满足神经网络的高速思考需求，考验着网络链接的能力和智慧。新华三新一代800G CPO硅光数据中心交换机，采用无阻塞网络架构：

➢ 一是具备“高吞吐”性能，可满足单个AIGC集群3.2万GPU的容量，是400G交换机的8倍。原来训练一个大模型需要800台交换机，现在仅需100台。

➢ 二是单端口的传输时延再降低20%，AIGC集群中GPU的数据交互能力提升25%。

➢ 三是将数据信号从传统的PCB互联，跨越到全光互联，极大降低了功耗，单集群可降低30%的TCO支出。

技术趋势二：白盒技术推动行业充分竞争，良性发展

白盒交换机采用开放的设备架构和软硬解耦的思想，提升了设备可编程性、灵活性，可以有效支撑未来新型业务对网络可定制、高性能、可编

程、确定性的需求，在网络战略发展中具有重要地位。

➢ 良性发展：白盒交换机在过去三十年间得到了快速发展。1994年，Linux 1.0 版本正式发布，2年后2.0版本正式更新，提供了网络协议/功能控制的开源框架；2010年日本电器（NEC）和惠普（HP）推出基于OVS（OpenVSwitch）的开放软件交换机；2015 年，OCP成功推出第一款白盒交换机；2016 年至今，白盒设备、软件操作系统、网络自动化等技术已得到蓬勃的发展。

➢ 架构：白盒交换机分硬件和软件两个部分，硬件一般包括交换芯片、CPU芯片、网卡、存储以及外围硬件设备等；软件主要是指网络操作系统（NOS）及其搭载的网络应用，NOS一般通过基础软件平台的引导完成安装，芯片接口层则将交换芯片的硬件功能封装为统一的接口，解耦上层应用与底层硬件。具体而言，上层应用通过调用芯片接口定制底层转发逻辑，提供网络的可编程功能。

➢ 优点：

✓交换机白盒化已得到上下游企业的一致认同，可联动白盒开源生态和产业生态的发展

✓白盒交换机采用开放的设备架构和软硬解耦思想，降低购置开发成本

✓白盒交换机支持硬件数据面可编程和软件容器化部署

在全球经济增长放缓及AIGC算力成本高昂的背景下，白盒交换机成本低、开放性高、操作难度小的优势将会更加突出。传统交换机的软硬件开发均由设备厂商提供，系统完全封闭，满足新功能快速开发部署需求慢，采购成本久高不下。

在白盒交换机架构下增加芯片接口层，将交换芯片的硬件功能封装为统一的接口，采用开放的设备架构和软硬解耦思想，降低购置开发成本。

技术趋势三：头部交换机企业积极部署大模型，由硬件向软件发展

华为在2021年4月就推出了华为云盘古大模型，该模型是业界首个千亿级生成与理解中文NLP大模型，也是业界最大的CV大模型。

新华三于今年6月发布针对行业市场的私域大模型——百业灵犀LinSeer。该大模型主要服务垂直行业、专属地域的客户。主要特点是，可以提供安全、订制、独享、生长的智能化服务，能够满足客户行业专注、区域专属、数据专有、价值专享的需求。

技术趋势四：液冷交换机助数据中心实现低能耗

数据中心能耗占比中，散热系统能耗平均高达33%，因为传统数据中心采用的风冷散热系统是以比热容很低的空气作为载冷媒介。

当前液冷技术主要分为单相液冷和两相液冷,单相液冷复杂度更低更易实现,单相液冷分为冷板式液冷和浸没式液冷，沉浸式液冷方案更胜一筹。

锐捷采用了冷板式液冷散热器，对MAC芯片和周围的光模块进行一体化覆盖，通过冷却液在板内流道的流动带走热量。

技术趋势五：CPO技术减少高速电通损耗，或成高速交换机核心技术

共封装光学（Co-packaged Optics，缩写为CPO）是一种新型的光学封装技术，旨在将光学元件直接封装在芯片内部，可以通过更短的光学路径和更紧密的光学耦合实现更高效的光通信，同时也可以减少光学连接和对准的复杂性，从而实现更高密度的光电集成和更高性能的光通信系统。

全球多家不同背景的大厂商已开始布局该领域研发。目前AWS、微软、思科、博通、英伟达均在布局CPO技术和产品。比如：设备商思科和Juniper未来都将推出51.2T/s的CPO交换机；博通发布了基于光电共封装技术的下一代交换机ASIC芯片的发展路线图。国内厂商锐捷网络正式推出首款应用CPO技术兼容液冷散热模式的技术中心交换机。

技术趋势六：TSN成为构建工业IT网络与OT网络间的重要桥梁

TSN是解决大带宽的新技术，同时TSN+OPC UA将解决协议碎片化问题，有望加速应用：

➢ TSN可以为网络连接提供准确的时间同步和时间关键数据及时性的保证。作为下一代工业以太网技术，保证了来自不同供应商的设备之间的网络级兼容性。在网络系统级，TSN通过标准配置分发给设备的网络调度接口，支持确定性通信。消息的定时释放确保了网络中的延迟可以被确定性地预测和管理。

➢ TSN与 OPC UA的融合有助于解决工业通信协议碎片化的问题。TSN技术基于以太网提供了一套数据链路层的协议标准，解决了网络通讯中数据传输及获取的可靠性和确定性的问题；OPC UA则提供一套通用的数据解析机制，解决系统互操作的复杂性问题。因此TSN 能把PROFINET等实时以太网现场总线和OPC UA共享到同一个通信设施上，有助于解决工业通信协议碎片化的问题。

技术趋势七：以太网芯片国际厂商主导，国产自主逐步完善

以太网物理层芯片竞争格局高度集中，国内自主逐步完善，提升空间大。根据中国汽车技术研究中心有限公司的数据统计，在全球以太网物理芯片市场竞争中，博通、美满电子、瑞昱、德州仪器、高通和微芯稳居前列，前五大以太网物理层芯片供应商市场份额占比高达91%。在中国市场，以太网物理层芯片市场基本被境外国际巨头所主导。

➢ 物理层典型国产企业裕太微：成立于2017年，是具备关键技术攻关能力，拥有完全自主知识产权的以太网物理层芯片供应商。公司目前的产品主要为百兆、千兆的单口及多口以太网物理层芯片，可满足信息通讯、汽车电子、消费电子、监控设备、工业控制等多个领域的需求。未来，公司一方面将推出更高速率的物理层芯片产品，其中2.5G物理层产品已量产流片、车载千兆以太网物理层芯片已工程流片，另一方面，在物理层芯片产品的基础上，公司逐步向上层网络处理产品拓展，布局以太网交换芯片、网卡芯片、车载网关等产品线。

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