Fotonica del silicio: La prossima rivoluzione per i data center a 400G

Con la rapida crescita delle applicazioni 5G e dei servizi cloud, le tecnologie tradizionali stanno affrontando i limiti fondamentali del consumo energetico e della capacità di trasmissione, spingendo il continuo sviluppo della tecnologia ottica e del silicio. La fotonica del silicio è una tecnologia innovatica che consente notevoli miglioramenti in termini di densità, prestazioni ed economia, necessari per abilitare le applicazioni dei data center 400G e per guidare le reti di comunicazione ottica di prossima generazione. Che cos'è la fotonica al silicio? Come promuove la rivoluzione delle applicazioni 400G nei data center? Continuate a leggere per scoprirne di più.

Cosa è la tecnologia fotonica al silicio?

La fotonica del silicio (SiPh) è una piattaforma materiale da cui è possibile realizzare circuiti integrati fotonici (PIC). Utilizza il silicio come elemento principale di fabbricazione. I PIC consumano meno energia e generano meno calore rispetto ai circuiti elettronici convenzionali, offrendo la promessa di una scalata della larghezza di banda a basso consumo energetico.

La miniaturizzazione e l'integrazione di complessi sottosistemi ottici nei chip fotonici in silicio, migliorando drasticamente le prestazioni, l'ingombro e l'efficienza energetica.

Ottica convenzionale vs ottica fotonica al silicio

Ecco una tabella di confronto tecnologico tra ottiche convenzionali e ottiche fotoniche al silicio, prendendo ad esempio i moduli QSFPDD DR4 400G e QDD DR4 400G Si:

	QDD-DR4-400G	QDD-DR4-400G-Si
Materiale	Materiale costoso - scarso Resa media: materiale proveniente da epitassia Ingombro ridotto: Elevato contrasto di indice in 1D Laser nativo Scarso ossido nativo Bassa corrente scura Wafer piccoli (tipo 75 mm)	Materiale economico - il 27% della massa della crosta terrestre è costituito da Si Alta resa: Ad esempio, materiale proveniente dalla boule originale Ingombro estremamente ridotto: Elevato contrasto di indice in 2D Nessun laser nativo Eccellente ossido nativo Corrente scura media Wafer bassi (tipo 300 mm)
Tipo di trasmettitore	TX: 1310nm EML; RX: PIN	TX:DFB RX:PIN
Principio di funzionamento
Tecnologia di imballaggio	COB	Imballaggio COB+3D
DSP Chip	DSP Inphi a 16 nm	Broadcom 7nm DSP
Consumo di energia	＜12W	＜10W
Applicazione	400G Ethernet, data center

La differenza tra un modulo ricetrasmettitore ottico 400GBASE-DR4 QSFP-DD PAM4 e un modulo fotonico al silicio sta semplicemente in: i chip fotonici in silicio 400G — rompendo il collo di bottiglia dello scambio di dati su mega scala, mostrando grandi vantaggi in termini di basso consumo energetico, ingombro ridotto, costo relativamente basso, facilità di integrazione in grandi volumi, ecc.

I circuiti integrati fotonici al silicio rappresentano una soluzione ideale per realizzare l'integrazione monolitica di chip fotonici e chip elettronici. Adottando un design fotonico al silicio, un modulo QDD-DR4-400G-Si combina un'alta densità e un basso consumo, riducendo in larga misura il costo dei moduli ottici e risparmiando così le spese di costruzione e gestione dei data center.

Perché adottare la fotonica al silicio nei data center?

Per risolvere i colli di bottiglia di I/O

La crescente domanda di dati a livello mondiale ha causato l'esaurimento della larghezza di banda e delle risorse di potenza di calcolo nei data center. Per far fronte alla crescente domanda di consumo di dati, i chip devono diventare più veloci, in grado di elaborare le informazioni più velocemente di quanto il segnale possa essere trasmesso in entrata e in uscita. In altre parole, i chip stanno diventando più veloci, ma il segnale ottico (proveniente dalla fibra) deve ancora essere convertito in un segnale elettronico per comunicare con il chip collocato su una scheda nel data center. E poiché il segnale elettrico deve ancora percorrere una certa distanza dal ricetrasmettitore ottico, dove è stato convertito dalla luce, all'elettronica di elaborazione e instradamento, abbiamo raggiunto un punto in cui il chip può elaborare le informazioni più velocemente di quanto il segnale elettrico possa entrare e uscire da esso.

Per ridurre il consumo di energia

Il riscaldamento e la dissipazione di energia sono sfide enormi per l'industria informatica. Il consumo di energia si traduce direttamente in calore. Il consumo di energia provoca calore, quindi cosa provoca la dissipazione di energia? Principalmente, le trasmissioni di dati. Si stima che i data center abbiano consumato 200TWh ogni anno — più del consumo energetico nazionale di alcuni Paesi. Per questo motivo, alcuni dei più grandi Data Center del mondo, tra cui quelli di Amazon, Google e Microsoft, sono situati in Alaska e in Paesi dal clima simile, a causa del clima freddo.

Per risparmiare sul budget dell'operazione

Attualmente, un tipico data center ultra-grande ha più di 100.000 server e oltre 50.000 switch. Il collegamento tra di essi richiede più di 1 milione di moduli ottici per un valore di circa 150-250 milioni di dollari, che rappresentano il 60% del costo della rete di data center, superando la somma di apparecchiature quali switch, NIC e cavi. Il costo elevato costringe l'industria a ridurre il prezzo unitario dei moduli ottici attraverso aggiornamenti tecnologici. L'introduzione di moduli in fibra ottica che adottano la tecnologia Silicon Photonics dovrebbe risolvere questo problema.

Applicazioni della fotonica del silicio nelle comunicazioni

La fotonica del silicio si è dimostrata una piattaforma convincente per abilitare le comunicazioni ottiche coerenti di prossima generazione e le interconnessioni intra-data center. Questa tecnologia può supportare un'ampia gamma di applicazioni, dalle interconnessioni a corto raggio alle comunicazioni a lungo raggio, dando un grande contributo alle reti di prossima generazione.

• 100G/400G Datacom: data center e applicazioni campus (fino a 10 km)

• Telecom: applicazioni metropolitane e a lungo raggio (fino a 100 e 400 km)

• Interconnessioni e interruttori ottici a portata ultra corta all'interno di router, computer e HPC

• Elementi ottici passivi funzionali, tra cui AWG, filtri ottici, accoppiatori e splitter

• Prodotti ricetrasmettitori 400G, compresi i moduli ottici 400G, Cavi breakout DAC 400G, trasmettitori/ricevitori, cavi ottici attivi (AOC), oltre a 400G DAC.

Presente e futuro della fotonica al silicio

Yole ha previsto che il mercato dei moduli ottici al silicio crescerà da circa 455 milioni di dollari nel 2018 a circa 4 miliardi di dollari nel 2024, con un CAGR del 44,5%. Secondo Lightcounting, il mercato complessivo dei moduli ottici ad alta velocità per la comunicazione dei dati raggiungerà i 6,5 miliardi di dollari entro il 2024 e i moduli ottici al silicio rappresenteranno il 60% (3,3% in 20 anni).

Intel, una delle aziende leader nel settore della fotonica del silicio, detiene una quota di mercato del 60% nei ricetrasmettitori fotonici al silicio per le comunicazioni dati. Intel ha già spedito più di 3 milioni di unità dei suoi ricetrasmettitori 100G pluggable in pochi anni e continua ad ampliare la sua offerta di prodotti Silicon Photonics. E Cisco ha acquisito Accacia per 2,6 miliardi di dollari e Luxtera per 660 milioni di dollari. Altre aziende come Inphi e NeoPhotonics stanno proponendo ricetrasmettitori fotonici al silicio con tecnologie forti.

Fonte dell'immagine: Yole Développement pubblicato su eetasia