《AI产业全景图谱》新书节选｜AI交换机：数据洪流中的“超级路由器”

转自中信智库、中信建投证券研究发展部出品 武超则等著《AI产业全景图谱：技术范式、投资机遇与未来生态》，中信出版集团。

《AI产业全景图谱》新书第二章“算力基石：AI时代的底层动力与产业机遇”内容节选——AI交换机：数据洪流中的“超级路由器”。

交换机为组网关键设备，作用于数据链路层与网络层。当网络内计算机数目不多时，可以通过两两用线互连的方式实现互相通信；后来随着网络中计算机数目的增加，集线器（HUB）诞生，但集线器会把所有接收到的数据包广播到所有端口，容易导致大量的网络冲突和带宽浪费。为了解决这个问题，交换机连接模式应运而生，通过为每台设备分配一个MAC地址（媒体访问控制地址），交换机可将信息发往指定MAC地址的设备，从而提升传输效率。

从OSI（开放系统互连）网络模型来看，早期的集线器工作在物理层，通过广播的方式进行数据转发；传统交换机工作在数据链路层，根据MAC地址进行转发（二层转发）；随着交换技术的演进，交换机逐步具备路由功能（根据IP转发，三层转发），三层交换机能够简化网络架构，减少网络设备的数量和管理复杂度。

交换机中的元器件包括交换芯片、CPU、PCB、存储器、光模块、电源等。交换芯片为交换机中的核心设备，是交换处理大量数据及报文转发的专用芯片，根据数据包的目的地址将数据包从输入端口转发到输出端口，还可以根据端口状态和负载情况，自动调整数据包的传输速率，确保网络质量和稳定性。CPU负责执行控制平面的任务，如路由协议处理、网络管理、策略执行等，通常基于通用处理器架构，如x86架构，具有较高的灵活性和可编程性，适用于需要复杂处理和决策的场景，如网络安全策略、路由选择等。存储器临时存储和快速访问数据，用于保存缓冲区、页表等关键数据，并支持快速的读写操作。存储器的大小和类型直接影响着交换机对大容量数据包的处理以及对多个并行流量的支持。光模块由光电子器件（光发射器、光接收器）、功能电路和光接口等部分组成，实现光纤通信中的光电转换功能。

从交换机硬件BOM（物料清单）成本来看，以锐捷网络和菲菱科思为例（见图2-6和图2-7），占比最高的是芯片（交换芯片+CPU），价值量为40%~50%，一般来说速率越高的交换机，芯片价值量占比越高。

单卡算力相对有限，为了缩短训练时间，通常采用分布式训练技术，通过多台节点构建出一个计算能力和显存能力超大的集群。连接这个超级集群的高性能网络，直接决定了智算节点间的通信效率。要让整个智算集群获得高的吞吐量，高性能网络需要具备低时延、高带宽、高稳定性、高可扩展性和易运维等关键因素。低时延：集群整体算力并不随着智算节点的增加而线性增长，单次的计算时间包含了单卡的计算时间加卡间通信时间，降低卡间通信时间是提升训练效率的关键。高带宽：智算集群内部的计算节点需要将计算结果快速地同步给其他节点，以便进行下一轮计算。在结果同步完成前，计算任务处于等待状态，不会进入下一轮计算。如果带宽不够大，梯度传输就会变慢，影响训练效率。

云计算时代，随着超大型数据中心建立，数据中心内部流量增加，架构逐步向叶脊架构演进。考虑到并非所有服务器都会同时对外产生流量，为了控制网络建设成本，Leaf（叶）交换机的下联带宽和上联带宽并非按照1∶1设计，而是存在收敛比。AI时代，提升GPU之间的通信效率成为网络设计的关键，通常采用无阻塞的网络设计，即Fat-Tree（胖树）网络架构，交换机下联带宽和上联带宽采用1∶1无收敛设计，且每张GPU均配有一张网卡，这带来交换机用量的大幅提升。

交换机作为AI组网的关键设备，随着通信服务提供商资本开支的增加，高速交换机出货量迅速提升。根据国际数据公司数据，2024年全球以太网交换机市场规模为502.27亿美元，同比下降5.2%。受AI驱动，高带宽、低时延的以太网交换机需求态势较好。然而，企业园区和分支机构部署的非数据中心细分市场受企业办公模式变化、业务调整等因素的影响，需求下滑。展望未来，随着以太网技术在AI组网中占比提升［初期英伟达主导的IB（InfiniBand，无限带宽）网络在训练中占比较高］，我们预计2025—2027年全球交换机市场规模有望保持5%~10%的复合增速（见图2-8）。

2024年，中国的交换机市场规模为60.03亿美元（见图2-9）。这主要是因为2024年国内通信服务提供商在AI领域的资本开支加大，对GPU、网络设备的采购量显著提升，互联网市场呈现高速增长态势。2025—2027年，国内交换机市场在AI的带动下有望保持高个位数增速。如果企业、园区市场同步恢复，市场增速则可能更快。

思科占全球交换机市场份额约四成，国内华为、新华三合计份额约70%。思科作为全球交换机市场龙头，占全球市场份额一度超过50%。随着Arista在北美数通市场的崛起，2024年思科市场份额为34.12%，较2017年下降17.14个百分点。2024年思科、华为、Arista市场份额分别为34.12%、9.99%、12.96%（见图2-10）。华为与新华三合计约占七成国内市场份额，受益于互联网厂商白牌化推进，锐捷网络市场份额快速提升。2024年，华为、新华三、锐捷网络市场份额分别为38.84%、30.54%、14.34%（见图2-11）。华为市场占有率持续提升，预计这与华为在智算解决方案销售中采取整体打包销售形式（将GPU、交换机、路由器、安全等产品一并出售）有关。

此外，2020年以来，200 G/400 G交换机出货占比提升，预计高速交换机比例有望持续提升。2023年，中国200 G/400 G交换机出货占比为8.0%，2024年占比提升至17.7%（见图2-12）。随着2024年博通TH5交换芯片的规模出货，预计后续400 G/800 G交换机出货占比将进一步提升。

2025年GTC大会上，英伟达推出了Quantum-X硅光共封芯片、Spectrum-X硅光共封芯片以及衍生出来的交换机产品。英伟达的CPO创新技术将插拔式的光模块替换为与ASIC一体化封装的硅光器件。与传统网络相比，该技术可将现有能效提高3.5倍，网络可靠性提高10倍，部署时间缩短至原来的约77%。英伟达Quantum-X800平台正在扩展至基于CPO技术的新型交换机。代表产品如Quantum 3450-LD，拥有144个800 Gbps InfiniBand端口。这种突破性的交换机采用液冷设计，可对板载硅光器件进行高效散热。英伟达Quantum-X Photonics InfiniBand交换机支持新的网络创新技术，可扩展至更大的规模，在无阻塞两层胖树拓扑下以800 Gbps的速率连接至10 000多个GPU。

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