Ce lo spiega un recente articolo di ST Perspectives, la serie di STMicroelectronics che esplora le principali tendenze del settore e il futuro della tecnologia dei semiconduttori. In questo caso parliamo dei fasci luminosi che trasportano enormi quantità di dati, alimentando la rivoluzione dei data center basati sull’intelligenza artificiale.
Nel mondo odierno basato sui dati, la domanda di maggiore trasferimento dati, velocità, prestazioni ed efficienza energetica sta crescendo a un ritmo senza precedenti. La fotonica del silicio combina la velocità della luce con la scalabilità della produzione del silicio per soddisfare queste esigenze. Cos’è esattamente la fotonica del silicio, come funziona e, soprattutto, perché sta diventando così importante? Questo articolo esplora i fondamenti, le applicazioni e l’impatto della fotonica del silicio.
La magia della luce su un chip
Fondamentalmente, la fotonica del silicio prevede l’integrazione di componenti ottici su chip di silicio per generare, manipolare e rilevare la luce per la comunicazione dati. A differenza dell’elettronica tradizionale che si basa sugli elettroni per trasportare informazioni, la fotonica del silicio utilizza fotoni (particelle luminose) che viaggiano più velocemente e trasportano più dati con una minore perdita di energia. Questa differenza fondamentale consente di trasmettere i dati a velocità molto più elevate e su distanze maggiori con maggiore efficienza.
Ciò che rende la fotonica del silicio particolarmente potente è la sua compatibilità con le attuali tecniche di produzione dei semiconduttori. Componenti ottici ed elettronici possono coesistere sullo stesso chip di silicio sfruttando i maturi processi di fabbricazione CMOS. Questa integrazione consente la produzione in serie di componenti ottici un tempo ingombranti e costosi, riducendo drasticamente i costi di produzione.
Come funziona
La fotonica al silicio converte i segnali elettrici in segnali ottici e viceversa, consentendo la trasmissione dei dati sotto forma di impulsi luminosi. Un laser genera una luce nel vicino infrarosso che viene poi modulata da segnali elettrici. Questi modulatori codificano le informazioni nel flusso luminoso alterandone proprietà come l’intensità o la fase.
La luce modulata viaggia attraverso guide d’onda microscopiche incise nel substrato di silicio, che la guidano con perdite minime. All’estremità ricevente, i fotorilevatori riconvertono i segnali ottici in segnali elettrici, che vengono poi ritradotti nei dati originali per l’elaborazione.
Questi processi di conversione e trasmissione consentono alla fotonica del silicio di offrire velocità di trasferimento dati ultraveloci, mantenendo al contempo l’efficienza energetica. La capacità di integrare queste funzioni su un singolo chip è un fattore chiave che ne determina la rapida adozione. Ad esempio, le tecnologie di fotonica del silicio di STMicroelectronics sono già applicate nell’ottica co-confezionata per l’intelligenza artificiale e i data center di prossima generazione, dove le interconnessioni ottiche offrono velocità di trasmissione dati superiori a 400 Gbit/s con una dissipazione di potenza significativamente inferiore rispetto alle tecnologie alternative.
La tecnologia proprietaria di STMicroelectronics
Il cuore delle interconnessioni in un data center sono migliaia, o addirittura centinaia di migliaia, di transceiver ottici. Questi dispositivi convertono i segnali ottici in elettrici e viceversa, consentendo il flusso di dati tra le risorse di elaborazione grafica (GPU), gli switch e lo storage. All’interno di questi transceiver, la nuova tecnologia proprietaria di fotonica al silicio (SiPho) di STMicroelectronics offre ai clienti la possibilità di integrare più componenti complessi in un unico chip, mentre la tecnologia proprietaria BiCMOS di nuova generazione di ST offre connettività ottica ad altissima velocità e basso consumo, fondamentali per sostenere la crescita dell’intelligenza artificiale.
“La domanda di intelligenza artificiale sta accelerando l’adozione di tecnologie di comunicazione ad alta velocità nell’ecosistema dei data center. Questo è il momento giusto per ST per introdurre una nuova tecnologia di fotonica al silicio a basso consumo energetico e integrarla con una nuova generazione di BiCMOS per consentire ai nostri clienti di progettare la prossima ondata di prodotti di interconnessione ottica, che consentirà soluzioni a 800 Gbps/1,6 Tbps per gli hyperscaler“, ha affermato Remi El-Ouazzane, Presidente del Gruppo Microcontrollori, IC Digitali e Prodotti RF di STMicroelectronics. “Entrambe le tecnologie sono prodotte con processi da 300 mm in Europa, offrendo ai clienti una fornitura indipendente in grandi volumi per due componenti chiave della loro strategia di sviluppo di moduli ottici. La nostra ambizione è diventare un fornitore chiave di fotonica al silicio e wafer BiCMOS per il mercato dei data center e dei cluster di intelligenza artificiale, che si tratti di ottiche collegabili oggi o di I/O ottico domani”.
PIC100 è la prima tecnologia fotonica al silicio di ST e uno dei PIC più efficienti su un wafer da 300 mm, consentendo così 200 Gbps/linea e una larghezza di banda ancora maggiore in futuro. PIC100 inaugura una lunga serie di PIC che porteranno nuove efficienze a data center, cluster di intelligenza artificiale e altri dispositivi di rete ottica. Con il lancio di un PIC più efficiente e di una piattaforma B55X di nuova generazione che utilizza silicio, germanio e un nodo di processo a 55 nm, i produttori di transceiver possono fornire nuovi livelli di efficienza e prestazioni, essenziali per la democratizzazione di standard di comunicazione più veloci.
Lo stabilimento di riferimento di STMIcroelectronics per questa tecnologia è quello da 300 mm di Crolles, in Francia.
Alla guida della ricerca europea
Grazie alla sua leadership nel settore, STMicroelectronics è alla guida del progetto europeo STARLigh scelto dalla Commissione Europea nell’ambito dell’iniziativa EU CHIPS Joint Undertaking per garantire all’Europa una forte presenza nella tecnologia della fotonica al silicio da 300 mm (SiPho). Il progetto riunisce 24 aziende tecnologiche leader e università di 11 paesi dell’UE per posizionare l’Europa come leader tecnologico nella fotonica al silicio da 300 mm (SiPho), creando una linea di produzione ad alto volume, sviluppando moduli ottici all’avanguardia e promuovendo una catena del valore completa. Da oggi al 2028, STARLight mira a sviluppare soluzioni orientate alle applicazioni, concentrandosi su settori industriali chiave come data center, cluster di intelligenza artificiale, telecomunicazioni e mercati automobilistici.
“La tecnologia della fotonica al silicio è fondamentale per porre l’Europa al crocevia della fabbrica di intelligenza artificiale del futuro e il progetto STARLight rappresenta un passo significativo per l’intera catena del valore in Europa, promuovendo l’innovazione e la collaborazione tra le principali aziende tecnologiche.
Concentrandosi sui risultati applicativi, il progetto mira a fornire soluzioni all’avanguardia per i mercati dei data center, dei cluster di intelligenza artificiale, delle telecomunicazioni e dell’automotive. Con partner paneuropei di prestigio, il consorzio STARLight è destinato a guidare la prossima generazione di tecnologie e applicazioni di fotonica al silicio“, ha affermato Remi El-Ouazzane, Presidente del Gruppo Microcontrollers, Digital ICs and RF products di STMicroelectronics.
Alimentare la dorsale digitale
La fotonica al silicio viene implementata in diversi settori critici. Nei data center e negli ambienti di cloud computing (principalmente guidati dalla domanda di intelligenza artificiale), la tecnologia consente interconnessioni ottiche ultraveloci tra server, storage e apparecchiature di rete. Ciò non solo aumenta la velocità di trasmissione dei dati, ma riduce anche il consumo energetico e i requisiti di spazio fisico, aiutando i data center a operare in modo più efficiente ed economico.
Anche le reti di telecomunicazione traggono vantaggio dalla fotonica del silicio: consentendo ricetrasmettitori compatti e scalabili, la fotonica del silicio supporta velocità di trasmissione dati più elevate e distanze di trasmissione più lunghe su reti in fibra ottica, per velocità Internet più elevate e connessioni più affidabili.
Gli ambienti di calcolo ad alte prestazioni (HPC), che richiedono un rapido scambio di dati tra processori, sfruttano la fotonica del silicio per ottenere comunicazioni a bassa latenza e ad alta larghezza di banda. Ciò accelera le simulazioni scientifiche, l’addestramento dell’intelligenza artificiale e l’analisi di dati complessi.
Anche altre applicazioni stanno iniziando a sfruttare la fotonica del silicio. L’elettronica di consumo, come i sensori LiDAR per veicoli autonomi, i dispositivi di realtà aumentata (AR) e realtà virtuale (VR) e i sistemi di imaging avanzati, sta iniziando a integrare la fotonica del silicio per le sue dimensioni compatte e le elevate capacità di gestione dei dati.
Chi cavalca l’onda luminosa?
L’impatto della fotonica al silicio si estende all’intero ecosistema per i fornitori di soluzioni tecnologiche per i data center. Queste aziende possono realizzare data center e apparecchiature per le telecomunicazioni più veloci ed efficienti. I produttori di semiconduttori acquisiscono nuove opportunità producendo chip fotonici utilizzando impianti di fabbricazione esistenti, mentre ricercatori e innovatori esplorano nuove frontiere nell’ottica integrata, nel calcolo quantistico e nelle comunicazioni di nuova generazione.
Perché la fotonica del silicio supera l’elettronica
La fotonica del silicio presenta diversi vantaggi interessanti rispetto alle tradizionali interconnessioni elettroniche.
I segnali ottici supportano intrinsecamente larghezze di banda molto più elevate, il che dovrebbe consentire velocità di trasmissione dati di diversi terabit al secondo negli anni a venire. Consumano inoltre una quantità di energia significativamente inferiore, riducendo i costi operativi e l’impatto ambientale. L’integrazione di componenti ottici su chip di silicio consente di realizzare design compatti che consentono di risparmiare spazio e di realizzare nuovi fattori di forma per i dispositivi. Inoltre, l’utilizzo di tecniche di produzione CMOS consolidate riduce i costi di produzione e accelera il time-to-market. Infine, la fotonica del silicio supporta l’integrazione densa di più canali ottici, preparando le reti alla crescita esponenziale del traffico dati prevista nei prossimi anni.
Reti del futuro
Guardando al futuro, si prevede che la fotonica del silicio svolgerà un ruolo cruciale nel rendere possibili le reti connesse del futuro, l’edge computing e le comunicazioni quantistiche. L’obiettivo principale del settore è ora quello di scalare una filiera di fornitura di fotonica del silicio matura, dall’acqua al packaging, per soddisfare la crescente domanda di dati ed efficienza energetica.
I progressi nella scienza dei materiali, nell’automazione della progettazione e nei processi di produzione continueranno a migliorare le prestazioni, soddisfare le esigenze di efficienza energetica e ridurre i costi, rendendo la fotonica del silicio una tecnologia essenziale per il futuro connesso.
Dare forma a un futuro connesso
La fotonica del silicio rappresenta un cambio di paradigma nella comunicazione dati, unendo la velocità della luce alla scalabilità della produzione di silicio. La sua capacità di fornire interconnessioni ottiche ultraveloci, efficienti dal punto di vista energetico e compatte sta trasformando i data center, le reti di telecomunicazioni, l’elaborazione ad alte prestazioni e le applicazioni consumer emergenti.
Con la continua crescita della domanda di dati, la fotonica al silicio offre una soluzione scalabile ed economica per soddisfare le esigenze di connettività del mondo di domani. Questa tecnologia dei semiconduttori non sta solo cambiando il modo in cui le informazioni vengono trasmesse; ha il potenziale per rimodellare le fondamenta del nostro futuro connesso.
