Che cosa sono i transceiver Silicon Photonics (SiPh) e quali sono le loro differenze rispetto ai moduli tradizionali?

Con l'evoluzione delle velocità dei data center verso 800G e persino 1.6T, una tecnologia nota come Silicon Photonics (SiPh) sta accelerando la trasformazione della tecnologia dei moduli ottici e rimodellando il panorama del settore. Che cos'è esattamente, quindi, un ricetrasmettitore Silicon Photonics? E in quali modi fondamentali si differenzia dai moduli ottici tradizionali?

L'evoluzione della tecnologia fotonica del silicio

Dalla proposta dell'ottica integrata da parte dei Bell Laboratories negli Stati Uniti nel 1969 fino all'inizio del XXI secolo, quando aziende come Intel iniziarono a entrare nel campo della Silicon Photonics per contribuire a promuovere le innovazioni tecnologiche, SiPh passò gradualmente a una fase di industrializzazione e accelerazione tecnologica. Dopo il 2008, aziende tra cui Luxtera e Intel iniziarono a lanciare prodotti commerciali fotonici integrati in silicio, segnando l'ingresso formale dei chip SiPh nel mercato. Ciò gettò le basi per futuri moduli ottici ad alta velocità, come 400G e moduli 800G.

Lo sviluppo della tecnologia Silicon Photonics può essere suddiviso in generale in quattro fasi. La prima fase prevede la produzione dei componenti di base per la comunicazione ottica utilizzando materiali a base di silicio, sostituendo gradualmente i componenti ottici discreti. Nella seconda fase la tecnologia di integrazione evolve dall'integrazione ibrida all'integrazione monolitica, in cui vari componenti vengono combinati per realizzare diverse funzioni su un singolo chip – questo è lo stato attuale della tecnologia SiPh. La terza fase, in futuro, dovrebbe realizzare una completa integrazione optoelettronica attraverso la fusione delle tecnologie optoelettroniche. E la quarta fase comporterà la scomposizione dei dispositivi in più unità di silicio disposte in modo simile a una matrice, consentendo funzionalità programmabili tramite programmazione personalizzata, con il risultato di chip programmabili.

Panoramica dei moduli ottici in fotonica del silicio

Che cos'è un transceiver ottico SiPh?

Ricetrasmettitori ottici SiPh sono moduli ottici basati sulla tecnologia Silicon Photonics. Prima di comprendere i moduli fotonici al silicio, è necessario chiarire innanzitutto che cos'è la tecnologia Silicon Photonics. 

SiPh è una tecnologia di nuova generazione per lo sviluppo e l'integrazione di dispositivi ottici utilizzando silicio e materiali di substrato a base di silicio, come SiGe/Si e SOI, sfruttando i processi di produzione CMOS esistenti.

Il concetto centrale alla base dei moduli fotonici al silicio è  "sostituire l'elettricità con la luce", il che significa che per la trasmissione dei dati vengono utilizzati fasci laser al posto dei segnali elettrici. Silicon Photonics integra i componenti ottici e gli elementi elettronici all'interno di un ricetrasmettitore ottico SiPh su un unico microchip indipendente, consentendo una profonda integrazione dell'elaborazione del segnale ottico e dell'elaborazione del segnale elettrico e realizzando infine vere interconnessioni ottiche.

Vantaggi della progettazione in fotonica del silicio

Innanzitutto, per i data center che richiedono un uso estensivo di moduli ottici, il vantaggio più significativo dei moduli SiPh rimane il loro basso costo.

Con lo sviluppo del settore Internet, la domanda di moduli ottici si sta orientando sempre più verso la miniaturizzazione e le alte prestazioni. Nell'ambito della tendenza alla miniaturizzazione, i moduli ottici convenzionali affrontano un maggiore degrado delle prestazioni quando tentano di aumentare le velocità di trasmissione. I transceiver Silicon Photonics non solo superano i colli di bottiglia prestazionali, come il consumo energetico causato da più canali nei moduli convenzionali, ma riducono anche i costi dei laser.

Nei costi tradizionali dei moduli, il chip fotonico rappresenta circa il 40% del costo totale, mentre il laser contribuisce per circa il 20%. Ridurre i costi del laser del 75% può ridurre il costo complessivo del modulo di circa il 15%. Sfruttando la tecnologia Silicon Photonics si può ottenere un'elevata integrazione di modulatori e percorsi ottici passivi su un singolo chip, riducendo significativamente i costi del chip.

Il basso consumo energetico è un altro vantaggio del design SiPh. Sostituendo i segnali elettrici tradizionali con segnali ottici per la trasmissione dei dati, la tecnologia Silicon Photonics riduce efficacemente il consumo energetico causato dalle perdite resistive e dall'attenuazione del segnale durante le interconnessioni ad alta velocità. 

Il terzo vantaggio è l'elevata integrazione e miniaturizzazione. Il design SiPh utilizza la tecnologia CMOS per integrare più componenti ottici, come modulatori, rilevatori e guide d'onda, su un singolo chip fotonico al silicio, ottenendo dimensioni più ridotte, maggiore densità, packaging semplificato e affidabilità migliorata.

Svantaggi del transceiver fotonico al silicio

Sebbene i moduli Silicon Photonics presentino vantaggi sotto vari aspetti, al livello tecnologico attuale devono ancora affrontare delle sfide. Questi dispositivi hanno una bassa efficienza di accoppiamento tra guide d'onda in silicio e fibre ottiche, perdite elevate e sono adatti solo a trasmissioni a breve e media distanza. Inoltre, l'integrazione di materiali composti III-V su substrati di silicio presenta problemi di compatibilità tra i due materiali, con conseguente bassa resa dei wafer per i chip SiPh. Infine, attualmente non vi è alcun vantaggio in termini di costi a velocità di trasmissione dati inferiori a 400G.

Le applicazioni del modulo Silicon Photonics

I moduli Silicon Photonics sono altamente adatti a scenari a breve distanza e ad alta larghezza di banda. I cluster GPU nei data center AI richiedono interconnessioni 800G o persino 1.6T. Il basso consumo energetico e l'elevata densità dei moduli Silicon Photonics possono ridurre il TCO. Inoltre, la tecnologia CPO consente il packaging a distanza zero dei motori Silicon Photonics con chip switch, riducendo ulteriormente la latenza per soddisfare le esigenze di bassa latenza dell'addestramento AI.

Modulo SiPh vs modulo transceiver tradizionale, qual è la differenza?

Architettura tecnica e materiali

Il percorso tecnologico principale del modulo ottico tradizionale è quello "ibrido integrato", in cui alcuni dispositivi ottici chiave sono ancora basati su semiconduttori composti III-V. Ad esempio, InP viene utilizzato nei laser e GaAs o LiNbO3 vengono utilizzati nei modulatori. Questi materiali richiedono processi di assemblaggio complessi, inclusa l'allineamento ottico, con un significativo intervento manuale. Prendendo come esempio un modulo tradizionale 100G, richiede l'allineamento e il packaging di oltre dieci componenti, inclusi quattro laser 25G, quattro modulatori e multiplexer/demultiplexer, coinvolgendo oltre 30 fasi di processo.

I moduli Siph utilizzano il silicio come base e incidono guide d'onda ottiche, modulatori, rivelatori e altri componenti su un wafer di silicio mediante processi semiconduttori CMOS, ottenendo un'integrazione monolitica. Questo processo è compatibile con la produzione di CPU e può utilizzare linee di produzione mature di aziende come Intel per la produzione di massa, riducendo il numero di fasi di produzione del 60% e offrendo un enorme potenziale di scalabilità.

 (Fonte: Broadcom)

Densità di integrazione e dimensioni del modulo

L'integrazione dei moduli ottici classici è ostacolata da sfide legate ai materiali e alla precisione – per raddoppiare la velocità dei dati, sarebbe necessario combinare quasi il doppio dei componenti. Ad esempio, un modulo 400G convenzionale è costituito da otto canali 50G, molto più grande di un modulo 100G. In uno switch 1U, è possibile implementare un massimo di 32 moduli 400G tradizionali, spingendo l'utilizzo dello spazio ai suoi limiti.

I moduli SiPh utilizzano la tecnologia di integrazione fotonica per comprimere decine di componenti ottici su un chip di silicio da 1cm². Ad esempio, un modulo 800G Silicon Photonics ha un chip centrale delle dimensioni di un'unghia, integrando otto canali 100G. Questa caratteristica ad alta densità consente a uno switch 1U di implementare 64 porte 800G, raddoppiando la densità di larghezza di banda e soddisfacendo perfettamente le elevate esigenze di larghezza di banda dei data center.

Costi e scalabilità

I moduli ottici tradizionali, la maggior parte dei quali viene allineata, confezionata e testata manualmente, soprattutto per i prodotti ad alta velocità in cui i requisiti di precisione sono estremamente elevati, comportano costi persistentemente elevati. Questo approccio tecnologico incontra limitazioni nel tentativo di scalare verso velocità di trasmissione dati ancora più elevate.

Al contrario, il processo di produzione dei moduli fotonici al silicio è compatibile con i processi maturi dei circuiti integrati CMOS. Ciò consente loro di sfruttare la catena di fornitura dei semiconduttori esistente e su larga scala per ottenere una produzione di massa standardizzata. Una volta che la tecnologia raggiunge la maturità, i moduli fotonici al silicio offrono un notevole potenziale di riduzione dei costi e possono evolvere più facilmente verso velocità dati più elevate e funzionalità più complesse, offrendo un'eccellente scalabilità.

Caratteristiche prestazionali

La tecnologia tradizionale dei moduli ottici è matura, offre prestazioni stabili e affidabili e mantiene ancora vantaggi insostituibili in specifici scenari applicativi, come la trasmissione a lunghissima distanza. I moduli Silicon Photonics presentano vantaggi significativi in termini di consumo energetico e integrazione. Tuttavia, i loro laser richiedono ancora un accoppiamento esterno, che è una delle sfide tecniche. Ciononostante, con lo sviluppo della tecnologia CPO, il consumo energetico e la latenza possono essere ulteriormente ridotti, che è esattamente ciò di cui avranno bisogno i futuri data center su scala ultra-grande.

La fotonica del silicio 1.6T entrerà nella produzione di massa?

Con la crescita esplosiva dell'intelligenza artificiale, la domanda di moduli ottici ad alta velocità è aumentata vertiginosamente. Insieme alla tecnologia Silicon Photonics, che offre un'architettura di prodotto più snella, i principali produttori di moduli ottici hanno accumulato una notevole competenza tecnica nei chip Silicon Photonics e nelle tecnologie correlate, mantenendo al contempo investimenti continui. Di conseguenza, i moduli basati sulla tecnologia Silicon Photonics sono sempre più favoriti dai data center. Con la continua maturazione della filiera Silicon Photonics, si prevede che i moduli SiPh 1.6T si avvieranno verso una distribuzione su larga scala intorno al 2025. Inoltre, dobbiamo notare che la produzione di massa di moduli ottici Silicon Photonics 1.6T non è semplicemente una svolta in una singola tecnologia, ma una svolta coordinata a livello di sistema che coinvolge una serie di tecnologie all'avanguardia, tra cui chip ottici, chip elettrici, processi di packaging, scienza dei materiali e gestione termica. Ciò implica anche che il numero di produttori in grado di competere nel mercato 1.6T sarà significativamente inferiore rispetto all'era 800G, con barriere di settore notevolmente innalzate.

Il mercato futuro dei ricetrasmettitori fotonici al silicio

Secondo l'ultima previsione di Yole Intelligence, il mercato dei moduli Silicon Photonics sta entrando in una fase di rapida crescita. Entro il 2029, si prevede che le vendite globali di moduli Silicon Photonics raggiungeranno $10.3 billion.

Tra questi, i moduli Silicon Photonics collegabili per data center rappresentano la quota maggiore, con ricavi previsti di circa 5,3 miliardi di dollari, pari al 52% del mercato totale. Si prevede che i moduli Silicon Photonics per applicazioni WDM genereranno ricavi per circa 4,6 miliardi di dollari, pari al 45% del mercato. Inoltre, anche segmenti di mercato come le interfacce ottiche I/O per data center, le architetture NPO & CPO, le telecomunicazioni wireless e altre applicazioni si stanno gradualmente espandendo, contribuendo complessivamente a oltre 200 milioni di dollari di ricavi di mercato.

Secondo i dati Yole, in termini di spedizioni, le spedizioni globali di moduli Silicon Photonics hanno già raggiunto quasi 6 milioni di unità nel 2024 e dovrebbero superare i 12,5 milioni di unità nel 2025, con la possibilità di raggiungere 18 milioni di unità entro il 2029.

Conclusione

I moduli ottici in fotonica del silicio combinano i punti di forza della fotonica e della tecnologia CMOS, consentendo costi inferiori, maggiore integrazione e migliori prestazioni termiche e di larghezza di banda. Stanno diventando una soluzione chiave per soddisfare le esigenze del calcolo ad alte prestazioni, dell'addestramento IA su larga scala e delle interconnessioni per telecomunicazioni.