事件:英伟达计划推出CPO交换机,将于25Q3量产。近期对供应链的访查,得知nVIDIA与Broadcom的产品将从800G升级至1.6T,并按计划在明年第一季度进行生产。此外,台积电预计将整合CoWos与CPO技术,且量产时间表维持在2026年下半年不变。尽管存在个别产品的推迟风险,但矽光CPO技术的整体发展进度并未受到严重影响,市场对CPO量产的信心得以维持。
随着光模块速率迭代,交换机SerDes传输速率和功耗或成为瓶颈,CPO方案将光模块集成为光引擎,与交换ASIC芯片封装,缩短传输距离,降低链路损耗和功耗。
相关产业链公司:
Yole此前预计CPO将于2027-2029年试产,2029年进入量产阶段,AI芯片迭代有望加速CPO产业进程。英伟达预计2025Q3量产首款CPO版本IB交换机Quantum3400X800,2026年推出CPO版本的Spectrum4UltraX800以太网交换机。
台积电已推出COUPE1.0/2.0平台,根据其发布的CPO领域路线图,计划在2025年实现6.4Tbps光引擎,后续进一步开发12.8Tbps光引擎用于XPU互联。
博通已推出第一代25.6TCPO交换机,第二代51.2T正在认证升级,并在今年各展会上成功演示AIASIC+CPO功能,即CPO+2.5D封装。我们认为CPO作为产业重要技术方向之一,在海外IC设计、晶圆制造及封测厂商加码布局下进度或超预期,但短期来看仍然在技术和可靠性,以及终端厂商意愿倾向等方面面临挑战,快速规模商业化部署可能性较低,中长期来看技术发展利好上游光芯片、光器件厂商,同时传统光模块厂商产业链角色或将转变,建议关注旭创等已积极布局,确立先发优势的龙头厂商。
硅光技术使得光子器件和电子器件能够在同一个硅基底上集成,而CPO技术进一步将这些集成的光子器件与电子芯片共同封装,提高了系统的集成度。
硅光技术通过大规模集成电路工艺降低成本和功耗,CPO技术通过封装技术进一步降低系统的整体功耗和成本。
硅光技术能够实现高速光信号的传输,而CPO技术通过缩短交换机和光学器件之间的电气通道,提高高速电信号传输质量,进一步提升了系统性能。
数据中心应用:在数据中心领域,硅光技术和CPO技术的结合为实现高密度、高带宽、低功耗的光互连提供了解决方案,特别是在800Gbps以上速率的光模块中,CPO成为了应对密度和功率问题的关键技术。
硅光技术和CPO技术相辅相成,共同推动了光互连技术的发展,为数据中心等高速通信场景提供了高效的解决方案。
硅光的产业爆发点已经到来:AI与5G/6G演进对网络的需求有别于传统网络,亟需技术迭代,传统光通信网络,在集成度、速率、成本、功耗、性能等诸多方面均达到瓶颈。供给侧看,光模块的应用场景和市场规模出现巨大“突破缺口”,若上游尤其是传统光芯片未能及时响应变化,材料端的供给(产能)将出现巨大缺口,形成硅光的渗透空间。
硅光会对通信产业链的影响:由于硅光技术的核心在于解决光电集成的问题,硅光的渗透将改变光通信产业链的分工与价值分布。少数厂商采用全垂直整合、产业链大趋势是芯片设计与代工分工,光模块/终端芯片厂商封装;光模块厂商也在通过自研/并购切入硅光设计领域。光电协同CPO、算网光连接、新材料、国产化等也是行业的重要演进方向。
一、硅光技术是后摩尔时代核心技术之一
硅光技术是后摩尔时代核心技术之一,是半导体技术和光学技术的结合,并且对于通信行业的影响将是颠覆性的。硅光是硅集成电路和半导体激光器的组合。硅光:通信的速率、功耗与距离不可能三角,倒逼新技术加速渗透,光模块的发展逐步走向更优的功能+性能、光电协同设计(co-design)、更高的集成度、更低的功耗/成本。
硅光凭借兼容性、集成度、性能等优势,预计将在AI芯片的设计与互联、智算集群的组建、光子计算等诸多领域扮演重要角色。
硅光技术的缘起:通信用光电子正从分离器件向集成化方向加速发展。传统通信用光器件主要基于III-V族半导体材料研制,近年来在尺寸、成本、功耗以及“与电芯片一体化”等方面面临挑战。硅基光电子集成技术(简称“硅光技术”)是光子集成的重要方向。其基于硅材料,并借鉴大规模集成电路工艺中已成熟的CMOS工艺进行光器件制造,具有低成本、低功耗、微小尺寸和“与集成电路工艺一体化”的优势,一经提出便得到产业界广泛关注,被认为是“光层的创新主线”。
不过硅材料属间接带隙半导体材料,需要借助混合集成技术解决片上光源和光放大等难题。随着5G通信技术向海量连接、大容量方向发展,为了实现信号全面覆盖,光通信设备需要布局大量的光模块,光模块需要实现高密度连接,驱动光模块向高集成化方向发展。光芯片是光模块的核心器件,成本占比随传输速率的提升而上升,处于产业链价值制高点,竞争壁垒最高。
硅为材料的光集成技术兼具数据的交换、存储以及处理,是下一代光通信的技术趋势。
硅光芯片在保持光器件高灵敏度的基础上兼具低成本、低功耗、高速、超小型化和超轻超薄等独特优势。
硅光技术的高度集成特性在对尺寸更加敏感的消费领域存在更大需求,消费电子、智能驾驶、量子通信等领域有较大发展空间。
二、CPO技术与OIO技术
CPO技术则是将光收发器/光引擎和电芯片封装在一起,只保留光口,而不是采用可插拔光模块的形式。采用硅光子的CPO技术是指把硅光模块和CMOS芯片用高级封装的形式(例如2.5D或者3D封装)集成在一起,从而在成本、功耗和尺寸上都进一步提升数据中心应用中的光互连技术。
CPO(Co-PackagedOptics,共同封装光学)是将交换芯片和光引擎共同装配在同一个Socketed(插槽)上,形成芯片和模组的共封装。CPO作为新技术趋势,尚未发展成熟,英伟达的积极部署促使业界看到趋势可能加速推动的可能性。CPO技术趋势之下,传统可插拔模块逐步演化成光引擎与交换机芯片集成,其产品形态和价值量或被受到较大变革。
OIO,即OpticalI/O,是将光引擎直接封装至GPU上的技术路线。从数据中心光通信的演进来看,从当下的可插拔光模块、到集成度更高的硅光模块、再到集交换机与光模块一体的CPO交换机。这些革新更多的应用于服务器与交换机,交换机与交换机的连接。OIO,作为光通信前沿的技术方向之一,将创新的触角延伸至服务器内部,过去,同一块PCB板上的GPU,都是用PCB及其内部的铜线进行通信。在AI带动下,芯片对于通信带宽的要求越来越高,PCB板载通信也会在铜的物理限制下出现瓶颈。OIO则是针对这一场景,将光引擎和计算芯片封装在一起,用光通信来代替过去GPU间的PCB板载电通信,使得片间互联突破速率限制。
技术的演进,本质是光通信的下沉。无论是可插拔光模块,还是CPO乃至OIO,创新的本质需求,都是为了更高的和更快的传输速率。铜传输虽然有功耗低,成本低等优势,但铜的物理性质决定了,随着速率的升高,其传输距离会急剧缩短。
在AI催化下,数据中心通信速率的高速迭代,硅光、CPO、OIO等技术,都是提高集成度,降低光通信的功耗与成本,使得客户能够在可接受的成本下,将光通信的高速率,“下沉”到过去电信号与铜线传播的领域,从而突破铜的物理上限带来的通信瓶颈。总结来看,光通信拥有较好的物理性能,而技术创新,则是将这种物理性能推进到客户可以接受的稳定度和成本区间内。
行业革新,最大的增量在于光引擎。在传统光模块向硅光、CPO、OIO等环节演进的过程中,行业的最大增量将会出自光引擎。其核心原因就是,随着新技术的成熟,光通信可以下沉至过去由铜缆传输的超高速率信号领域,这一新增的市场空间,将带来大量的全新光通信需求,以英伟达GB200芯片为例,其单芯片就拥有1.8TB/s片间带宽,当下这些带宽全部由PCB与铜线构成的交换系统承载,随着光通信向这一领域渗透,这些带宽将逐渐由光通信承载,1.8TB/s的带宽,预计需要9个1.6Tb光引擎来承担,不难发现,这是非常大的增量需求。
综合解决方案将成光通信竞争壁垒。硅光、CPO、OIO等技术演进方向虽然渗透周期仍然有待验证,但是对于产业参与者和产业竞争带来的影响是明确的。在未来很长一段时间内,传统光模块,硅光光模块,CPO、OIO等技术将在客户处,乃至同一数据中心内并存。而光模块厂商能否给客户提供覆盖这些技术的全套解决方案,将成为客户选择供应商时的重点。随着新技术的演进,光通信与芯片集成度的提高,行业格局将进一步集中,少数优质龙头将凭借更全面的产业布局,与核心客户预研的绑定关系,进一步扩大市场份额,享受最大的行业红利。
硅光产业工艺生态建设是长期目标,行业收并购频发。硅光模块产业链主要包括硅光芯片(设计-代工-封测)、光源、光器件、设备、模块/引擎厂商和下游的电信及数通厂商。包括设计、加工、封装等全链路的工艺生态建设需要长期努力。随着下游需求的释放,以及硅光工艺的逐步标准化、上下游产业链分工的进一步细化,硅光技术有望实现规模化生产,从而进一步优化成本。
CW光源方面:外置光源为当前主流方案,国内外差距较小。硅自身无法发光,目前光源有多种解决方案,外挂光源为当前主流。光源芯片卸载了调制需求,但对功率等要求更高。目前,70-100mW?CW光源为主流产品,更高输出光功率为未来趋势。CW光源国内外差距较小,有望成为高速光芯片国产替代先锋。
硅光芯片方面:设计制造走向统一标准化,单片集成系长期趋势。目前硅光芯片主要整合了调制、探测、波导、耦合等功能,单片集成系长期趋势。硅基调制器已可支持单波200Gb以上速率的调制和传输。芯片设计层面,PDK为设计流程关键,专业设计公司和垂直整合公司共存;制造层面,工艺逐步走向标准化,硅光对工艺节点要求较低、制备细节把握要求更高,国内外差距较为明显。
模块和设备等方面:硅光模块商业化应用稳步推进,自动化封测设备是关键。硅光模块正在实现从100G到1.6T模块的商业化应用,不断推进市场渗透和技术升级。其中光引擎作为光模块核心,通过集成硅光器件提升效率,占据高速率市场份额。硅光模块由于芯片的高度集成,组件与人工成本也相对减少,但从芯片到光模块,封装工艺上仍存在较多技术难点,封装良率和成本仍有待优化,自动化封测设备是硅光模块生产制造工艺关键。
1)硅光模块及引擎:中际旭创(硅光芯片+硅光模块)、光迅科技(CW光源+硅光芯片+硅光模块)、新易盛(硅光芯片+硅光模块)、天孚通信(硅光引擎)、华工科技(硅光模块)、博创科技、亨通光电;
2)CW光源:源杰科技、长光华芯、仕佳光子;
3)硅光设备:罗博特科、杰普特等。
重点公司与产业链:
1.中际旭创:全球光模块龙头,自研硅光芯片。
深耕光通信领域,成就全球光模块行业龙头。中际旭创主营业务为高端光模块以及光器件的研发、生产及销售,为云数据中心客户提供100G、200G、400G和800G的高速光模块,为电信设备商客户提供5G前传、中传和回传光模块,应用于城域网、骨干网和核心网传输光模块以及应用于固网FTTX光纤接入的光器件等高端整体解决方案。2023年公司已成为全球第一大光模块厂商。自研硅光芯片,硅光方案光模块持续迭代并量产出货。2022年一季度已开始已经向海外客户送样400G硅光和800G硅光模块。
2023年,公司在OFC2023现场演示基于5nmDSP和先进硅光子技术的第二代800G光模块。2023年9月,宣布与TowerSemiconductor合作开发基于TowerSemi硅光工艺平台(PH18)的多代高速光模块,产品已处于生产中。OFC2024期间现场演示面向人工智能和数据中心应用的800G和1.6Tbps硅光模块解决方案,包括采用自研硅光芯片和线性Driver/TIA的1.6T-DR8OSFP模块以及搭载自研硅光芯片相干引擎的硅光800G-ZROSFP相干模块。2024年7月,已有400G和800G部分型号的硅光模块开始给客户批量出货,同时还给更多的客户送测了800G和1.6T硅光模块。
2.光迅科技:垂直化布局成就光器件龙头,子公司硅光布局领先。垂直化布局成就行业龙头,国家队打造产业标准。
公司主营光电子器件、模块和子系统产品的研发、生产及销售,产品主要应用于电信光通信网络和数据中心网络,是国内首家上市的光电子器件企业。自研光芯片覆盖硅光平台,与思科联合推出1.6T硅光模块。
光电芯片方面,公司有PLC(平面光波导)、III-V(三五族化合物)、SiP(硅光)三大光电芯片平台,其中硅光平台支持直接调制和相干调制方案。截至2023年9月,公司硅光工艺平台已完全成熟,400GDR4硅光模块已实现批量发货;基于同样工艺平台的800GDR8硅光高速模块送样验证进展顺利,并已具备大批量生产能力,该模块CW激光器、探测器芯片等核心光芯片实现自研,大功率CW激光器稳定性、可靠性处于业界领先水平。
在OFC2024大会上,公司与思科合作推出了1.6TOSFP-XD硅光光模块,速率可支持至单波200G。公司联合英特尔、英伟达等十二家行业领先的网络、半导体和光学公司宣布成立LPOMSA(线性可插拔光学多源协议),旨在开发网络设备和光学模块的规范。
2017年牵头组建国家信息光电子创新中心(NOEIC,公司目前持股37.5%)。
3.新易盛:收购Alpine增强硅光能力,发力高速光模块。
立足光模块业务,发力高速、推进海外布局。公司一直专注于光模块的研发、生产和销售,目前已成功研发出涵盖5G前传、中传、回传的25G、50G、100G、200G系列光模块产品并实现批量交付,同时是国内极少数批量交付100G、200G、400G高速光模块、掌握高速率光器件芯片封装和光器件封装的企业。
收购Alpine增强硅光能力,推出多代硅光方案模块。2022年收购Alpine,深入参与硅光模块、相干光模块以及硅光子芯片技术的市场竞争,在2022年OFC上展示了单波长100GQSFP28O波段xWDMPAM4光模块,搭载基于自有专利的nCP4硅光光学引擎,基于硅光方案的高速光模块(400G、800G等产品)均采用Alpine自研的硅光子芯片。截止2023年7月,400G硅光相关产品端实现量产。2023年8月与Alpine签署补充协议,将交易协议中关于技术产品2进行变更,变更后的技术产品目标将提升公司硅光芯片研发能力,增强公司与Alpine的协同效应,更能适应和满足行业未来技术发展的要求。目前已成功推出基于VCSEL/EML、硅光及薄膜铌酸锂方案的400G、800G、1.6T系列高速光模块产品。
4.天孚通信:一站式光器件供应商,具备硅光封装平台。
双总部布局,研发制造一体,提供光器件全方位解决方案。公司是领先的光器件解决方案和光学封装制造服务商,以苏州和新加坡为双总部、拥有苏州、深圳、日本等多个研发中心以及江西、深圳、苏州等量产基地。公司通过自主研发和产业并购,在精密陶瓷、工程塑料、复合金属、光学玻璃等基础材料领域积累了多项领先工艺技术,提供垂直整合的一站式产品解决方案,致力于成为全球领先的光器件企业。提供硅光封装平台。
持续开发高功率器件,积极布局海外生产制造基地。在OFC2023上推出了一系列配套光模块客户端应用的硅光光引擎解决方案,1.6T的可插拔,NPO以及CPO与客户端同步开发。公司正积极布局适用于各种特殊应用场景的FiberArray,器件产品开发,以期能满足高温回流焊工艺产品,迎合硅光客户的应用需求;针对硅光类产品高功率要求,开发能适应高功率应用的AWG及PLC类器件,目前已进入小批量阶段。2023年公司投入256万用于400G高速硅光光模块光学引擎开发项目。2024年公司泰国的工厂即将完工投产,4月底将交付使用第一栋厂房,第二栋厂房计划在10月交付使用,主要业务为无源光组件和光引擎代工相关产品生产。
5.华工科技:激光+通信+传感多业务布局,推出高速硅光模块。
以国资委实控,与多所高校合作,跨足多业务领域。公司以激光加工技术、信息通信技术和敏感电子技术为核心,涉足智能制造装备、光联接、无线联接和传感器业务。
2021年起,公司实际控制人由华中科技大学变更为武汉市国资委,每年投入不少于销售收入5%用于研发,拥有大型研发基地和海外研发中心,并与多家知名高校建立合作关系。公司围绕当前InP、GaAs化合物材料,积极布局硅基光电子、铌酸锂等新型材料方向,自主研发并行光技术(CPO、LPO等),积极推动新技术、新材料在下一代1.6T、3.2T等更高速产品应用。
自研硅光芯片,推出1.6T高速硅光模块产品。2021年Q1,实现400G全系列数通光模块批量交付、自研400G硅光芯片实现量产;2022年Q3,在ECOC22上,华工科技子公司华工正源发布800G可插拔式硅光模块,核心元件使用自研硅光芯片,具备高调制效率支持7nm,外形采用IEEE和MSA标准规范的OSFP封装。
6.博创科技:硅光模块实现量产,布局下一代高速产品。
四大技术平台,致力于集成光电子器件研发。公司专注于光通信领域的集成光电子器件的研发、生产和销售,拥有多项自主开发的核心技术,建立了平面光波导(PLC)、微光机电(MEMS)、硅光子和高速有源模块封装四大技术平台,不断推动光通信技术的发展,致力于成为世界级的光电子企业。
7.亨通光电:与英国洛克利合作成立子公司,打造硅光技术平台。
专注于在通信和能源两大领域,全球光纤通信行业前3强。公司布局于中国光纤光网、智能电网、大数据物联网、新能源新材料等领域,拥有从新一代绿色光棒-光纤-光缆-光网络-数据中心全价值光通信产业链,及光纤传感、5G等新一代网络关键技术。在欧洲、南美、南非、南亚、东南亚等区域,创建11家海外研发产业基地及40多家营销技术服务公司,业务覆盖150多个国家和地区,光纤网络全球市场占有率超15%,承建了大批海洋光网工程,拥有端到端深海通信系统承建及服务的企业。
8.源杰科技:国产光通信芯片龙头,大功率硅光光源已出货。
源杰科技聚焦于光芯片行业,系国产光通信芯片龙头。公司主营业务为光芯片的研发、设计、生产与销售,主要应用于电信市场、数据中心市场、车载激光雷达市场等领域。在光通信领域中,主要产品包括2.5G、10G、25G、50G、100G以及更高速率的DFB、EML激光器系列产品和大功率硅光光源产品,主要应用于光纤接入、4G/5G移动通信网络和数据中心等领域。经过多年研发与产业化积累,公司已建立了包含芯片设计、晶圆制造、芯片加工和测试的IDM全流程业务体系,拥有多条全流程自主可控的生产线。公司逐步发展为国内领先的光芯片供应商。公司将继续深耕光芯片行业,致力成为国际一流光电半导体芯片和技术服务供应商。
在硅光方面,公司积极布局大功率激光器芯片技术。公司提供大功率硅光光源产品,包括25/50/70/100mW1310nm的CW光源,可应用于CPO领域。2020年1月,推出硅光大功率CW激光器产品。2021年,SiFotonics联合公司的大功率连续波激光器(CWLaser),推出400G硅光引擎解决方案。截止2023年,工业级50mW/70mW大功率硅光激光器具备量产能力,处于良率优化阶段,工业级100mW大功率硅光激光器处于产品开发阶段。截至2024年5月22日,CW光源客户端测试顺利,Q2已经进入了小批量生产出货阶段。
9.长光华芯:激光功率芯片龙头,拓展推出CW光源。
长光华芯为国内激光芯片龙头,横向拓展至光通信、传感等领域。公司主要致力于高功率半导体激光器芯片、高效率激光雷达与3D传感芯片、高速光通信半导体激光芯片及器件和系统的研发、生产和销售。产品广泛应用于:工业激光器泵浦、激光先进制造装备、生物医学美容、高速光通信、机器视觉与传感等。已建成从芯片设计、MOCVD(外延)、光刻、解理/镀膜、封装测试、光纤耦合等完整的工艺平台和量产线,是全球少数几家研发和量产高功率半导体激光器芯片的公司。
推出100mWCW光源,技术指标领先。2023年12月,公司于2023首届苏州光电技术产业发布大功率光通信激光芯片新品。产品可用于硅光光模块方向,且具备高出光功率、高转化效率、适应高速率需求等特点:
(1)高出光功率:相比业界70mW光源提升1.5dB以上,400GEDR4硅光光模块仅需1颗光源就能实现,简化光模块设计,显著降低光模块成本;
(2)高光电转换效率:降低per-bit功耗,芯片功耗优于同类产品,提升芯片长期工作可靠性,该光源兼容800G/1.6T等场景的光互联应用,满足高速率的持续演进诉求;
(3)面向未来长期演进:该光源兼容800G/1.6T等场景的光互联应用,满足高速率的持续演进诉求。
10.仕佳光子:无源光芯片龙头向有源拓展,布局大功率光源。
主营业务覆盖光芯片及器件、室内光缆、线缆材料三大板块。公司是一家以光芯片技术自主创新为核心的企业,系统建立了覆盖芯片设计、晶圆制造、芯片加工、封装测试的 IDM 全流程业务体系,应用于多款光芯片开发。主要产品包括 PLC 分路器芯片系列产品、AWG 芯片系列产品、DFB 激光器芯片系列产品、光纤连接器、室内光缆、线研发用于硅光的高功率 CW DFB 激光器。提供波长为 1310nm 及 C01-C61 DWDM的 CW DFB 激光,以及适用于硅光外臵光源的 C 波段 DFB TOSA 激光器,输出功率为15 -20mW。2018 年成功研制大功率 CW DFB 激光器芯片,2022 年获批河南省光子集成芯片中试基地。截至 2023 年底,用于数据中心、硅光领域的高功率 DFB 激光器已小批量出货。
11. 罗博特科:拟收购 ficonTEC,专注硅光模块封测。
拟参股公司ficonTEC 是光电产业微组装及测试解决方案供应商,应用范围包括 telecom 及datacom、生物医疗及汽车行业的传感应用、大功率激光器装配等。通过模块式系统架构,公司提供的解决方案可以适用于从早期器件研发,到新产品导入(NPI)直至大批量生产的每一个阶段,积极参与到硅光集成产业的发展中。通过 ficonTEC 的高精度自动化设备,公司为 Intel、NVIDIA、华为等全球知名企业提供高速硅光光模块封装与测试系统。
拟收购 ficonTEC 提升市场竞争力,计划稳步推进。2020 年 9 月,拟以现金人民币100 万元收购苏州斐控晶微技术有限公司 100%的股权。2023 年 9 月发布公告,拟以发行股份及支付现金的方式购买苏州斐控泰克 81.18%股权、德国公司 ficonTEC ServiceGmbH、ficonTEC Automation GmbH 各 6.97%股权,预计收购完成后,公司将直接和间接持有 ficonTEC、FSG 和 FAG 各 100%股权。2024年1月31日因申请文件中财务资料过期而收到深交所中止审核的通知,但已于2月27日补充标的公司的审计报告,并于2月29日收到深交所同意恢复收购重组的审核通知。
12.杰普特:激光行业小巨头,硅光晶圆测试系统性能领先。
提供高功率激光器及光电智能装备,覆盖多行业,技术领先。公司是中国首家商用脉宽可调高功率脉冲光纤激光器制造商,也是领先的光电精密检测及激光加工智能装备提供商。集研发、生产和销售于一体,主营激光器及用于集成电路和半导体光电相关器件的智能装备,覆盖全球市场,拥有多项自主知识产权及 700 余件专利,技术涵盖激光、光学、测试、测量、运动控制及自动化等领域。公司以激光核心技术为基础,为消费电子、半导体、新能源、生物医疗等行业提供全方位解决方案。
硅光晶圆测试系统获国际头部客户认可。在硅光方面,公司研发的硅光晶圆测试系统通过光纤列针、电子探针等方式测试硅光晶圆的光波导传输损耗、光电调制器调制性能、光电探测器光电响应性能等特性以衡量其品质,并已得到消费电子国际头部客户认可。
参考资料:
20240725-海通证券-光电材料之硅光(二):硅光工艺生态逐步完善,国内产业链全面布局
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