Nei data center, la gestione dei crescenti e complessi carichi di lavoro dell’intelligenza artificiale rende essenziale adottare interconnessioni ottiche, per aumentare velocità ed efficienza energetica rispetto alle classiche interconnessioni in rame. In questo spazio, la silicon photonics emerge come soluzione sempre più diffusa per raggiungere tali obiettivi
Nella frenetica corsa dell’industria elettronica e informatica verso la realizzazione di sistemi di intelligenza artificiale (AI) sempre più potenti, l’ostacolo più arduo da superare resta il collo di bottiglia dei dati. Nei vasti cloud data center degli hyperscaler distribuiti a livello geografico, in cui funzionano milioni di server, le tradizionali interconnessioni elettriche in rame ad alta velocità all’interno di ciascun server faticano a gestire le enormi moli di dati che le GPU (graphics processing unit) elaborano, e trasmettono tramite interfacce SerDes(serializer/deserializer) integrate, per eseguire le applicazioni AI. Alle soglie del 2026, i palesi limiti fisici raggiunti dal rame sembrano ormai rendere ineludibile la transizione verso una tecnologia che questi limiti può superarli, adottando interconnessioni ottiche integrate direttamente sul silicio, che utilizzano i fotoni per la trasmissione dati ad altissima velocità: stiamo parlando della ‘silicon photonics’ (SiPho), o fotonica del silicio.
Fotoni al posto di elettroni per superare il “copper wall”
Alle attuali velocità di trasmissione dati raggiunte per gestire l’intelligenza artificiale, il problema chiave da risolvere è il cosidetto “copper wall” (muro di rame). La metafora viene usata, nel gergo dell’elettronica industriale, per illustrare con un’immagine eloquente l’incapacità delle interconnessioni elettriche in rame di continuare a rappresentare una soluzione praticabile, affidabile ed efficiente, quando la velocità di trasmissione dati si avvicina al limite dei 224 Gb/s (gigabit al secondo – Gbps) per lane (corsia) con tecnica di modulazione del segnale PAM4 (pulse amplitude modulation 4-level). A queste ampiezze di banda cominciano infatti a manifestarsi vari effetti indesiderati.
L’utilizzo di frequenze elettriche molto elevate (56-112 GHz) genera il cosiddetto “effetto pelle” (skin effect), a causa del quale gli elettroni smettono di scorrere uniformemente all’interno del conduttore in rame, concentrandosi in una sottile sezione vicino alla sua superficie esterna (pelle). Ciò finisce per restringere la sezione utile della corsia, aumentandone drasticamente la resistenza. Incontrando una resistenza elevata nella corsia dati, gran parte dell’energia del segnale viene letteralmente degradata e trasformata in calore (effetto Joule) prima ancora di raggiungere la destinazione, e, già a breve distanza, si ha perdita e attenuazione del segnale. Inoltre, i campi elettrici e magnetici generati dai segnali che viaggiano nelle corsie dati causano interferenze elettromagnetiche, generando ‘rumore’ incontrollabile (crosstalk). Per ‘ripulire’ il segnale dal rumore (jitter) e ricostruirlo si adottano tecniche basate su chip DSP (digital signalprocessor) e retimer che, tuttavia, operando ad elevato ritmo, comportano notevoli consumi di energia e generazione di calore localizzato in punti critici del server. Sistemi di questo genere, in cui viene generato calore ad alta densità, richiedono di conseguenza tecniche di raffreddamento complesse e costose.
Guide d’onda fotoniche: basso calore, elevata banda ed efficienza energetica
La risposta alle limitazioni e ai problemi che creano il copper wall si fa oggi sempre più concreta con la progressiva maturazione commerciale delle soluzioni basate sulla fotonica del silicio. Gli attuali semiconduttori fotonici rappresentano in sostanza l’evoluzione dei chip tradizionali: mentre i semiconduttori classici elaborano e trasmettono segnali elettrici attraverso interconnessioni in rame, i chip fotonici guidano fotoni (luce) tramite guide d’onda microscopiche incise nel silicio. Per superare il ‘muro di rame’, i data center stanno in effetti progressivamente adottando nei server semiconduttori fotonici che incorporano queste guide d’onda ottiche. Le guide d’onda eliminano il problema del calore critico, in quanto i fotoni, privi di carica e massa, non generano la resistenza elettrica tipica dei conduttori e sono immuni alle interferenze elettromagnetiche.
Ciò consente una trasmissione dati ad elevata efficienza energetica e velocità: si parla di capacità di trasmissione di 1,6 Tbps (terabit al secondo) per interfaccia, che possono arrivare a 3,2 Tbps adottando tecniche di moltiplicazione della banda come WDM (wavelength divisionmultiplexing), che permette di far viaggiare più flussi di dati su diverse lunghezze d'onda all’interno della medesima guida d’onda. Le guide d’onda consentono una trasmissione dati con perdite di segnale molto basse all’interno dei chip e moduli ottici del server. Da qui, il segnale può poi proseguire verso l’esterno lungo cablaggi in fibra ottica, che permettono una comunicazione fluida su distanze molto più ampie, sia tra server, sia tra rack, senza subire la drastica attenuazione tipica dei cavi in rame. In aggiunta, il notevole vantaggio rispetto alle tradizionali interconnessioni in rame, è che, viaggiando su queste ‘autostrade’ ottiche, il segnale non deve essere rigenerato e risincronizzato tramite retimer o DSP, che sono componenti ad elevato consumo energetico. Adottando la fotonica del silicio nell’infrastruttura di data center, sarebbe quindi possibile ottenere un notevole risparmio di energia, che, secondo varie fonti, può arrivare al 30-40%.
Processo CMOS e substrati SOI: in sinergia per i chip fotonici
Le guide guida d’onda si possono descrivere come canali, binari microscopici incisi nel silicio, e servono a guidare impulsi luminosi (fotoni) che trasportano enormi moli di dati a velocità elevatissima. La tecnologia SOI (silicon on insulator) è considerata la base, lo standard industriale dominante per la fotonica del silicio. Quest’ultima sfrutta il processo CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) di progettazione e fabbricazione dei circuiti su substrati SOI. Il SOI descrive la struttura fisica del wafer di partenza, che, invece di usare un blocco unico di silicio (bulk silicon), adotta una struttura a sandwich, in cui il ‘panino’ è formato da tre strati: la base del sandwich (substrato) è costituita da un disco di silicio che funge da supporto meccanico (handle layer). Sopra questo c’è uno strato isolante (buried oxide layer - BOX) di diossido di silicio (SiO2) con basso indice di rifrazione (circa 1,4). In cima, sopra lo strato isolante, si trova il terzo strato (device layer), un sottile film di silicio (indice di rifrazione circa 3,4) su cui vengono incise, tramite fotolitografia, le guide d’onda. A questo punto, l’intero chip viene ricoperto (cladding) da un altro strato di diossido di silicio. Il silicio quindi si comporta come il nucleo (core), ed è circondato sopra, sotto e ai lati dal diossido di silicio, che agisce come mantello (cladding). Poiché l’indice di rifrazione del silicio (3,4) è molto più alto di quello del diossido di silicio (1,4), in base a un principio fisico noto come riflessione interna totale, la luce viene rimbalzata continuamente all’interno del binario di silicio.
La sinergia tra tecnologia CMOS e tecnologia SOI fornisce poi un fondamentale beneficio di ottimizzazione della progettazione. Unendo CMOS e SOI è infatti possibile integrare componenti elettronici e ottici, fabbricando sullo stesso chip sia i transistor, sia le guide d’onda. Ciò permette di raggiungere economie di scala abbattendo i costi, in quanto la tecnologia CMOS è uno standard globale consolidato, e permette di produrre chip fotonici in volumi enormi, sfruttando la maturità operativa delle fonderie e infrastrutture industriali già adottate per i semiconduttori tradizionali.
2026, un anno di svolta per la fotonica del silicio
Il 2026 sarà l’anno della silicon photonics, secondo le previsioni di LightCounting, società di ricerche di mercato focalizzata sull’analisi delle interconnessioni ad alta velocità per i settori delle comunicazioni dati e delle telecomunicazioni. La fotonica del silicio è attualmente la tecnologia ottica più in voga, rileva LightCounting in un recente studio, e a confermarlo sarebbero almeno due elementi: le vendite di ricetrasmettitori ottici (optical transceiver) stanno aumentando vertiginosamente, mentre lo sviluppo dei dispositivi CPO (co-packaged optics) sta accelerando. Attraverso la tecnologia CPO, invece di avere i moduli ottici separati dal processore, è possibile integrare i componenti fotonici direttamente nello stesso package della GPU o della CPU (central processing unit). Integrando optical transceiver e circuiti integrati sullo stesso substrato di silicio, si riduce notevolmente la lunghezza del percorso elettrico tra l’ottica e i circuiti integrati elettrici. In questo modo, si riduce il consumo di energia, la latenza, e si aumenta la larghezza di banda.
LightCounting prevede che nel 2026 più della metà di tutte le vendite di ricetrasmettitori ottici proverrà da moduli basati su modulatori fotonici (SiPho). E ciò accadrà, fondamentalmente, perché la carenza dei tradizionali laser EML (electro-absorption modulated laser) basati su InP(fosfuro di indio) sta accelerando la transizione verso la fotonica del silicio, che presenta vari vantaggi. Anche i dispositivi fotonici, precisa LightCounting, richiedono laser a onda continua (continuous wave – CW) InP-based, ma i ricetrasmettitori in standard DR4 e DR8 (DR – datacenter reach), rispettivamente a 4 e 8 canali, possono usare un laser CW per supportare due linee. Utilizzando invece i ricetrasmettitori tradizionali basati su laser EML, scarsamente disponibili e costosi, servirebbe un laser per ogni canale. In aggiunta, vanno anche considerati i benefici derivanti dalle maggiori prestazioni e affidabilità che la fotonica del silicio può fornire.
Dal punto di vista delle economie di scala, a differenza dell’optoelettronica tradizionale, che opera su wafer InP minuscoli (2-3 pollici), la fotonica del silicio utilizza wafer da 12 pollici (300 mm), da cui si può ricavare un numero molto maggiore di chip. Inoltre, va anche ricordato che giganti dei semiconduttori come TSMC, GlobalFoundries, Intel, per fabbricare questi chip fotonici non devono costruire nuove fabbriche da zero, ma possono utilizzare le linee di produzione già esistenti per i chip elettronici, impiegandole per produrre guide d’onda e modulatori, e riducendo al contempo costi e time-to-market. Inoltre, mentre nell’optoelettronica tradizionale i complessi processi di assemblaggio e allineamento di lenti e laser avvengono spesso in modalità manuale o semi-automatica, nella fotonica del silicio l’uso della fotolitografia consente di ottenere una precisione nanometrica, riducendo errori di produzione e relativi costi.
Silicon photonics: i piani di espansione nelle fonderie
Intanto, le fonderie di chip fotonici stanno accelerando per aumentare la capacità produttiva. A novembre 2025, GlobalFoundries (GF) ha annunciato l’acquisizione di Advanced Micro Foundry (AMF), una fonderia di fotonica del silicio con sede a Singapore. Tramite l’operazione, GF ha l’obiettivo di ampliare il proprio portafoglio tecnologico nella fotonica del silicio, la capacità produttiva e le attività di ricerca e sviluppo a Singapore, integrando le attuali competenze tecnologiche negli Stati Uniti e aprendo nuove opportunità di mercato attraverso una più ampia gamma di tecnologie per data center e comunicazioni. In particolare, l’obiettivo è rispondere alle esigenze delle aziende nel campo delle comunicazioni ottiche a lunga distanza, dell’informatica, dei LiDAR e del rilevamento, utilizzando la piattaforma AMF da 200 mm a Singapore, con piani di espansione a 300 mm in base alla crescita delle esigenze di mercato, garantendo una fornitura globale affidabile per i data center AI, le comunicazioni e le applicazioni di nuova generazione. A febbraio 2025, STMicroelectronics ha invece introdotto una nuova generazione di tecnologie proprietarie basate su fotonica del silicio, per realizzare interconnessioni ottiche più potenti nei data center e nei cluster di intelligenza artificiale. ST punta a fornire, a hyperscaler e fornitori di moduli ottici, nuovi chip fotonici e tecnologie BiCMOS (bipolar-CMOS) di ultima generazione, per moduli ottici da 800 Gb/s e 1,6 Tb/s. Quest’anno, a inizio gennaio, Tower Semiconductor e LightIC Technologies hanno reso nota una collaborazione strategica per espandere la fotonica del silicio oltre l’infrastruttura AI, portandola nei domini della AI fisica (physical AI) e del mondo automotive.
Tutte queste fonderie, osserva LightCounting, stanno sostenendo il settore dei ricetrasmettitori ottici, che sta crescendo rapidamente. In realtà, però, è la tecnologia CPO che promette le opportunità più redditizie per il futuro. TSMC, ricorda la società di ricerche, ha assunto un ruolo di primo piano nello sviluppo della tecnologia CPO, mentre Nvidia e Broadcom hanno reso noto il loro lavoro sulla tecnologia CPO in collaborazione con TSMC nel 2025. Tra l’altro, proprio lo scorso maggio (2025), Broadcom ha annunciato notevoli progressi nella propria tecnologia CPO, con il lancio della linea di prodotti CPO di terza generazione da 200G per corsia (200G/lane). La roadmap Gen 3 e 4 di Broadcom prevede una stretta collaborazione con i partner dell’ecosistema tecnologico, per ottimizzare l’integrazione delle soluzioni CPO, garantendo che soddisfino gli stringenti requisiti dei data center hyperscale e dei carichi di lavoro AI.
