La notizia è di pochi giorni fa: TSMC ha creato un gruppo di ricerca di 200 ingegneri per individuare le opportunità emergenti nei chip ad alta velocità basati sulla tecnologia fotonica del silicio coinvolgendo nella ricerca alcuni importanti clienti come NVIDIA, Intel e Broadcom. Su questo argomento torna TrendForce, società taiwanese di consulenza e ricerche di mercato, con questo interessante approfondimento.
Con la crescente domanda di capacità computazionale in campi quali l’intelligenza artificiale, le comunicazioni e i veicoli autonomi, l’evoluzione dei circuiti integrati ha raggiunto un limite fisico sotto la premessa della legge di Moore. Come si può superare questo limite? La risposta sta nel regno dell’ottica. Attualmente, molte aziende nazionali e internazionali stanno abbracciando attivamente la tecnologia “Silicon Photonics”. Quando l’elettronica incontra i fotoni, non solo risolve il problema della perdita di trasmissione del segnale, ma viene anche considerata una tecnologia chiave che potrebbe inaugurare una nuova era, rivoluzionando il mondo futuro.
I circuiti integrati racchiudono milioni di transistor su un singolo chip, eseguendo vari calcoli complessi. La Silicon Photonics, d’altra parte, rappresenta percorsi “luminosi” integrati, dove i percorsi conduttivi della luce sono consolidati. In termini semplici, si tratta di una tecnologia che converte “segnali elettronici” in “segnali ottici” su una piattaforma di silicio, facilitando la trasmissione di segnali sia elettrici che ottici.
Con il rapido progresso della tecnologia e l’aumento della velocità di elaborazione dei computer, la comunicazione tra i chip è diventata un fattore critico nelle prestazioni di elaborazione. Ad esempio, quando ChatGPT è stato lanciato per la prima volta, si sono verificati problemi di ritardo e interruzioni durante il processo di domande e risposte, legati a problemi di trasmissione dei dati. Pertanto, poiché la tecnologia dell’intelligenza artificiale continua a evolversi, il mantenimento della velocità di calcolo è un aspetto cruciale per abbracciare l’era dell’intelligenza artificiale.
Silicon Photonics ha il potenziale per aumentare la velocità della trasmissione optoelettronica, affrontando la perdita di segnale e i problemi di calore associati ai cavi in rame negli attuali componenti dei computer. Per questo motivo, i giganti dei semiconduttori come TSMC e Intel hanno già investito nelle attività di ricerca e sviluppo focalizzate sulla fotonica.
In questo contesto, TrendForce ha intervistato il dottor Fang Yen Hsiang, direttore della divisione di microdispositivi e applicazioni di sistemi di optoelettronica nonché dei laboratori di ricerca sui sistemi elettronici e optoelettronici presso l’Istituto di ricerca sulla tecnologia industriale (ITRI), per ottenere approfondimenti su questa tecnologia fondamentale.
Qual è la relazione tra la fotonica del silicio e i ricetrasmettitori ottici?
Un modulo ricetrasmettitore ottico comprende vari componenti, inclusi ricevitori ottici, amplificatori, modulatori e altro. In passato questi componenti erano disposti su circuito stampato (PCB). Nella fase successiva, per ridurre il consumo energetico, aumentare la velocità di trasmissione dei dati e minimizzare la perdita di trasmissione e il ritardo del segnale, questi componenti sono stati integrati in un unico chip di silicio. Fang sottolinea che questa integrazione è il cuore della Silicon Photonics.
Il prossimo passo dei circuiti integrati: le tre fasi della fotonica del silicio.
- Silicon Photonics Fase 1: aggiornamento dai tradizionali moduli pluggabili
Silicon Photonics si sviluppa silenziosamente da oltre 20 anni. I tradizionali moduli ricetrasmettitori ottici collegabili di Silicon Photonics assomigliano molto alle interfacce USB e si collegano a due fibre ottiche, una per la luce in entrata e una per la luce in uscita. Il percorso di trasmissione elettrica nei moduli in questione percorre una lunga distanza prima di raggiungere lo switch all’interno del server. Ciò comporta una significativa perdita di segnale alle alte velocità. Per ridurre al minimo questa perdita, i componenti Silicon Photonics sono stati spostati più vicino allo switch del server, accorciando il percorso di trasmissione elettrica. Di conseguenza, i moduli collegabili originali ora contengono solo fibre ottiche.
Questo approccio è in linea con lo sviluppo della tecnologia “Co-Packaged Optics” (CPO) del settore. L’idea principale è quella di assemblare circuiti integrati elettronici (EIC) e circuiti integrati fotonici (PIC) sullo stesso substrato, creando una scheda co-confezionata che integri chip e moduli. Questo co-packaging, noto come CPO Optical Engine (raffigurati nella figura “d” di seguito), sostituisce i ricetrasmettitori ottici e avvicina i motori ottici ai chip CPU/GPU. Ciò riduce i percorsi di trasmissione, minimizza la perdita di trasmissione e riduce il ritardo del segnale.
Secondo l’ITRI, questa tecnologia riduce i costi, aumenta la trasmissione dei dati di oltre 8 volte, fornisce più di 30 volte la potenza di calcolo e consente di risparmiare il 50% sul consumo energetico. Tuttavia, l’integrazione dei chipset è ancora in corso e il perfezionamento della tecnologia CPO sarà il prossimo passo importante nello sviluppo della Silicon Photonics.
- Silicon Photonics Fase 2: risoluzione del collo di bottiglia del CPO, risoluzione dei problemi di trasmissione CPU/GPU
Attualmente, Silicon Photonics affronta principalmente le sfide del ritardo del segnale dei moduli plug-in. Con il progresso della tecnologia, la fase successiva riguarderà la risoluzione dei problemi di trasmissione del segnale elettrico tra CPU e GPU. Gli accademici sottolineano che la comunicazione chip-to-chip si basa principalmente su segnali elettrici. Pertanto, il prossimo passo è abilitare la comunicazione interna chip-to-chip tra GPU e CPU utilizzando guide d’onda ottiche, convertendo tutti i segnali elettrici in segnali ottici per accelerare i calcoli dell’intelligenza artificiale e affrontare l’attuale collo di bottiglia computazionale.
- Silicon Photonics Fase 3: L’arrivo dell’era della rete completamente ottica (AON).
Man mano che la tecnologia avanza ulteriormente, inaugureremo l’era della “Rete All-Optical” (AON). Ciò significa che tutta la comunicazione chip-to-chip si baserà su segnali ottici, compresa la memorizzazione casuale, la trasmissione, la commutazione e l’elaborazione, che verranno tutti trasmessi come segnali ottici. Il Giappone ha già implementato attivamente la Silicon Photonics in preparazione alla transizione completa verso reti completamente ottiche in questo contesto.
Quali sono attualmente le più importanti sfide tecnologiche della fotonica del silicio?
Attualmente, Silicon Photonics deve affrontare diverse sfide legate all’integrazione dei componenti. Innanzitutto, c’è la questione della comunicazione. Il Dr. Fang Yen Hsiang fornisce un esempio: i produttori di semiconduttori comprendono i processi elettronici, ma poiché le prestazioni dei componenti fotonici sono sensibili a fattori quali la temperatura e la lunghezza del percorso e poiché la larghezza della linea e la spaziatura hanno un impatto significativo sulla trasmissione del segnale ottico, è necessaria una piattaforma di comunicazione. Questa piattaforma fornirebbe specifiche di progettazione, materiali, parametri e altre informazioni per facilitare la comunicazione tra produttori di elettronica e fotonica.
Inoltre, la fotonica del silicio viene attualmente applicata in mercati di nicchia e sono ancora in fase di definizione vari processi di packaging e standardizzazione dei materiali. La maggior parte delle fonderie di wafer che fabbricano chip per Silicon Photonics offrono esclusivamente servizi personalizzati e potrebbero non essere adatte alle nuove richieste. La mancanza di una piattaforma unificata potrebbe ostacolare lo sviluppo della tecnologia Silicon Photonics.
Oltre alla mancanza di una piattaforma comune, anche gli elevati costi di produzione, le sorgenti luminose integrate, le prestazioni dei componenti, la compatibilità dei materiali, gli effetti termici e l’affidabilità rappresentano sfide nei processi di produzione della fotonica del silicio. Con il progresso tecnologico e l’innovazione continui, si prevede che questi colli di bottiglia verranno superati nei prossimi anni.
