¿Qué son los transceptores de fotónica de silicio (SiPh) y cuáles son sus diferencias con los módulos tradicionales?

A medida que las velocidades de los centros de datos evolucionan hacia 800G e incluso 1.6T, una tecnología conocida como fotónica de silicio (SiPh) está acelerando la transformación de la tecnología de módulos ópticos y remodelando el panorama de la industria. Entonces, ¿qué es exactamente un transceptor de fotónica de silicio? ¿Y en qué aspectos fundamentales se diferencia de los módulos ópticos tradicionales?

La evolución de la tecnología fotónica de silicio

Desde la propuesta de óptica integrada por Bell Laboratories en Estados Unidos en 1969 hasta principios del siglo XXI, cuando empresas como Intel comenzaron a entrar en el campo de Silicon Photonics para ayudar a impulsar avances tecnológicos, SiPh pasó gradualmente a una etapa de industrialización y aceleración tecnológica. Después de 2008, empresas como Luxtera e Intel comenzaron a lanzar productos comerciales integrados de fotónica de silicio, lo que marcó la entrada formal de los chips SiPh en el mercado. Esto sentó las bases para futuros módulos ópticos de alta velocidad, como 400G y módulos 800G.

El desarrollo de la tecnología Silicon Photonics puede dividirse, en términos generales, en cuatro etapas. La primera etapa implica la fabricación de los componentes subyacentes para la comunicación óptica utilizando materiales basados en silicio, reemplazando gradualmente los componentes ópticos discretos. En la segunda etapa, la tecnología de integración evoluciona de la integración híbrida a la integración monolítica, donde varios componentes se combinan para lograr diferentes funciones en un solo chip – este es el estado actual de la tecnología SiPh. En el futuro, se espera que la tercera etapa logre una integración optoelectrónica completa mediante la fusión de tecnologías optoelectrónicas. Y la cuarta etapa implicará descomponer los dispositivos en múltiples unidades de silicio dispuestas en forma de matriz, lo que permitirá una funcionalidad programable mediante programación personalizada, dando como resultado chips programables.

Descripción general de los módulos ópticos de fotónica de silicio

¿Qué es un transceptor óptico SiPh?

Transceptores ópticos SiPh son módulos ópticos basados en la tecnología Silicon Photonics. Antes de comprender los módulos fotónicos de silicio, es necesario aclarar primero qué es la tecnología Silicon Photonics. 

SiPh es una tecnología de nueva generación para desarrollar e integrar dispositivos ópticos utilizando silicio y materiales de sustrato basados en silicio, como SiGe/Si y SOI, aprovechando los procesos de fabricación CMOS existentes.

El concepto central detrás de los módulos fotónicos de silicio es  "reemplazar la electricidad por luz", lo que significa que se utilizan haces láser en lugar de señales eléctricas para la transmisión de datos. Silicon Photonics integra los componentes ópticos y los elementos electrónicos dentro de un transceptor óptico SiPh en un único microchip independiente, lo que permite una integración profunda del procesamiento de señales ópticas y el procesamiento de señales eléctricas y, en última instancia, hace realidad interconexiones ópticas verdaderas.

Ventajas del diseño de fotónica de silicio

En primer lugar, para los centros de datos que requieren un uso extensivo de módulos ópticos, la ventaja más significativa de los módulos SiPh sigue siendo su bajo coste.

Con el desarrollo de la industria de internet, la demanda de módulos ópticos se orienta cada vez más hacia la miniaturización y el alto rendimiento. Bajo la tendencia de miniaturización, los módulos ópticos convencionales enfrentan una mayor degradación del rendimiento al intentar aumentar las velocidades de transmisión. Los transceptores Silicon Photonics no solo superan cuellos de botella de rendimiento como el consumo de energía causado por múltiples canales en módulos convencionales, sino que también reducen los costos del láser.

En los costos tradicionales de los módulos, el chip fotónico representa alrededor del 40% del costo total, mientras que el láser aporta aproximadamente el 20%. Reducir los costos del láser en un 75% puede reducir el costo total del módulo en torno a un 15%. Al aprovechar la tecnología Silicon Photonics, se puede lograr una alta integración de moduladores y rutas ópticas pasivas en un solo chip, lo que reduce significativamente los costos del chip.

El bajo consumo de energía es otra ventaja del diseño SiPh. Al reemplazar las señales eléctricas tradicionales por señales ópticas para la transmisión de datos, la tecnología Silicon Photonics reduce eficazmente el consumo de energía causado por las pérdidas resistivas y la atenuación de la señal durante las interconexiones de alta velocidad. 

La tercera ventaja es la alta integración y miniaturización. El diseño SiPh utiliza tecnología CMOS para integrar múltiples componentes ópticos, como moduladores, detectores y guías de onda, en un único chip fotónico de silicio, lo que da como resultado un tamaño menor, mayor densidad, empaquetado simplificado y mayor fiabilidad.

Desventajas del transceptor de fotónica de silicio

Aunque los módulos de fotónica de silicio presentan ventajas en diversos aspectos, todavía se enfrentan a desafíos con el nivel tecnológico actual. Estos dispositivos tienen una baja eficiencia de acoplamiento entre las guías de onda de silicio y las fibras ópticas, altas pérdidas, y solo son adecuados para transmisiones de corta a media distancia. Además, la integración de materiales compuestos III-V sobre sustratos de silicio presenta problemas de compatibilidad entre ambos materiales, lo que resulta en un bajo rendimiento de obleas para chips SiPh. Por último, actualmente no existe una ventaja de coste en tasas de datos inferiores a 400G.

Aplicaciones del módulo de fotónica de silicio

Los módulos Silicon Photonics son muy adecuados para escenarios de corta distancia y gran ancho de banda. Los clústeres de GPU en centros de datos de IA requieren interconexiones de 800G o incluso 1.6T. El bajo consumo de energía y la alta densidad de los módulos Silicon Photonics pueden reducir el TCO. Además, la tecnología CPO permite el empaquetado a distancia cero de motores Silicon Photonics con chips de conmutación, lo que reduce aún más la latencia para satisfacer las demandas de baja latencia del entrenamiento de IA.

Módulo SiPh vs módulo transceptor tradicional, ¿cuál es la diferencia?

Arquitectura técnica y materiales

La ruta tecnológica principal del módulo óptico tradicional es la "integración híbrida", en la que algunos dispositivos ópticos clave todavía se basan en semiconductores compuestos III-V. Por ejemplo, InP se utiliza en láseres y GaAs o LiNbO3 se utilizan en moduladores. Estos materiales requieren procesos de ensamblaje complejos, incluida la alineación óptica, con una intervención manual significativa. Tomando como ejemplo un módulo tradicional 100G, requiere la alineación y el encapsulado de más de diez componentes, incluidos cuatro láseres 25G, cuatro moduladores y multiplexores/demultiplexores, e implica más de 30 pasos de proceso.

Los módulos SiPh utilizan silicio como base y graban guías de onda ópticas, moduladores, detectores y otros componentes en una oblea de silicio mediante procesos semiconductores CMOS, logrando una integración monolítica. Este proceso es compatible con la fabricación de CPU y puede utilizar líneas de producción maduras de empresas como Intel para la producción en masa, reduciendo el número de pasos de fabricación en un 60% y ofreciendo un enorme potencial de escalado.

 (Fuente: Broadcom)

Densidad de integración y tamaño del módulo

La integración de módulos ópticos clásicos se ve obstaculizada por desafíos de material y precisión – para duplicar la tasa de datos, habría que combinar casi el doble de componentes. Por ejemplo, un módulo 400G convencional consta de ocho canales 50G, lo cual es mucho más grande que el de un módulo 100G. En un switch 1U, se pueden desplegar un máximo de 32 módulos 400G tradicionales, llevando la utilización del espacio a sus límites.

Los módulos SiPh utilizan tecnología de integración fotónica para comprimir decenas de componentes ópticos en un chip de silicio de 1cm². Por ejemplo, un módulo 800G Silicon Photonics tiene un chip central del tamaño de una uña, que integra ocho canales 100G. Esta característica de alta densidad permite que un switch 1U despliegue 64 puertos 800G, duplicando la densidad de ancho de banda y satisfaciendo perfectamente las altas demandas de ancho de banda de los centros de datos.

Costo y escalabilidad

Los módulos ópticos tradicionales, la mayoría de los cuales se alinean, empaquetan y prueban manualmente, especialmente en el caso de productos de alta velocidad donde los requisitos de precisión son extremadamente altos, lo que genera costes persistentemente elevados. Este enfoque tecnológico se enfrenta a limitaciones al intentar escalar a velocidades de datos aún más altas.

En cambio, el proceso de fabricación de los módulos fotónicos de silicio es compatible con los procesos maduros de circuitos integrados CMOS. Esto les permite aprovechar la cadena de suministro de semiconductores existente y a gran escala para lograr una producción masiva y estandarizada. Una vez que la tecnología alcance la madurez, los módulos fotónicos de silicio ofrecen un potencial sustancial de reducción de costos y pueden evolucionar más fácilmente hacia velocidades de datos más altas y funcionalidades más complejas, proporcionando una excelente escalabilidad.

Características de rendimiento

La tecnología tradicional de módulos ópticos es madura, ofrece un rendimiento estable y fiable, y aún conserva ventajas irremplazables en escenarios de aplicación específicos, como la transmisión a distancias ultralargas. Los módulos de fotónica de silicio tienen ventajas significativas en consumo de energía e integración. Sin embargo, sus láseres aún requieren acoplamiento externo, lo cual es uno de los desafíos técnicos. No obstante, con el desarrollo de la tecnología CPO, el consumo de energía y la latencia pueden reducirse aún más, que es precisamente lo que requerirán los futuros centros de datos a ultra gran escala.

¿Entrará la fotónica de silicio 1.6T en producción en masa?

Con el crecimiento explosivo de la inteligencia artificial, la demanda de módulos ópticos de alta velocidad se ha disparado. Sumado a que la tecnología de fotónica de silicio ofrece una arquitectura de producto más simplificada, los principales fabricantes de módulos ópticos han acumulado una sólida experiencia técnica en chips de fotónica de silicio y tecnologías relacionadas, al tiempo que mantienen una inversión continua. En consecuencia, los módulos basados en tecnología de fotónica de silicio son cada vez más favorecidos por los centros de datos. A medida que la cadena de suministro de fotónica de silicio continúa madurando, se espera que los módulos SiPh de 1.6T avancen hacia despliegues a gran escala alrededor de 2025. Además, debemos señalar que la producción en masa de módulos ópticos de fotónica de silicio de 1.6T no es simplemente un avance en una sola tecnología, sino un avance coordinado a nivel de sistema que implica una serie de tecnologías de vanguardia, incluidos chips ópticos, chips eléctricos, procesos de empaquetado, ciencia de materiales y gestión térmica. Esto también implica que el número de fabricantes capaces de competir en el mercado de 1.6T será significativamente menor que en la era de 800G, con barreras de entrada a la industria sustancialmente más altas.

El mercado futuro de los transceptores de fotónica de silicio

Según el último pronóstico de Yole Intelligence, el mercado de módulos Silicon Photonics está entrando en una fase de rápido crecimiento. Para 2029, se espera que las ventas globales de módulos Silicon Photonics alcancen los 10.300 millones de dólares.

Entre ellos, los módulos conectables de fotónica de silicio para centros de datos representan la mayor cuota, con unos ingresos proyectados de aproximadamente $5.3 mil millones, lo que representa el 52% del mercado total. Se espera que los módulos de fotónica de silicio para aplicaciones WDM generen alrededor de $4.6 mil millones en ingresos, lo que supone el 45% del mercado. Además, segmentos de mercado como las interfaces ópticas de E/S para centros de datos, las arquitecturas NPO & CPO, las telecomunicaciones inalámbricas y otras aplicaciones también se están expandiendo gradualmente, contribuyendo en conjunto con más de $200 millones en ingresos de mercado.

Según datos de Yole, en términos de envíos, los envíos globales de módulos de fotónica de silicio ya han alcanzado casi 6 millones de unidades en 2024, y se espera que superen los 12,5 millones de unidades en 2025 y que potencialmente alcancen los 18 millones de unidades para 2029.

Conclusión

Los módulos ópticos de fotónica de silicio combinan las fortalezas de la fotónica y la tecnología CMOS, lo que permite menores costos, mayor integración y un mejor rendimiento térmico y de ancho de banda. Se están convirtiendo en una solución clave para abordar las demandas de la computación de alto rendimiento, el entrenamiento de IA a gran escala y las interconexiones de telecomunicaciones.