Transizione dei data center verso il CO-PACKAGED OPTICS (CPO) - FREE

Il CPO (Co-Packaged Optics) è una tecnologia emergente che integra i componenti ottici direttamente nel pacchetto del chip.

Questa tecnologia punta a eliminare il problema dei moduli ottici separati.

I chip che fanno girare i modelli AI (le GPU) non lavorano mai da soli: lavorano in gruppi enormi e si scambiano quantità colossali di dati attraverso segnali luminosi, molto più veloci ed efficienti dei classici cavi in rame.

Fino ad oggi, però, i componenti ottici che gestiscono questa luce erano fisicamente separati dal chip, come una chiavetta USB che si infila in una porta. Ogni connettore disperde energia e riduce la velocità. Con le architetture AI attuali, ci vogliono così tanti di questi moduli che il consumo energetico diventa insostenibile.

Il CPO risolve il problema integrando il componente ottico direttamente nel pacchetto del chip, eliminando il connettore del tutto. Questo si traduce in:

• Riduzione della latenza: Tempi di risposta più rapidi dato che i componenti elettronici sono vicini tra loro.
• Aumento dell'efficienza energetica: I classici moduli consumano di più a causa di connettori e interfacce.
• Miglioramento della densità di banda: Le comunicazioni ottiche hanno una capacità di trasmissione più alta rispetto ai cavi di rame.

Gli hyperscaler dovranno rifornirsi di un'intera supply chain. E questo significa potenzialità di crescita per le aziende che ne fanno parte.

Supply chain della fotonica

L'introduzione del CPO richiederà una nuova supply chain fotonica che coprirà una serie di componenti tecnologiche chiave. La filiera è composta su diversi livelli come segue:

1. MATERIE PRIME

Le materie prime sono il punto di partenza fisico di tutta la filiera fotonica. Senza queste non esiste nessun laser, nessun substrato, nessun CPO. Sono tendenzialmente 2 tipologie:

1. Indio:
   Metallo raro estratto quasi esclusivamente come sottoprodotto della fusione dello zinco. Non ha miniere dedicate e viene recuperato dai residui della lavorazione dello zinco. Questo lo rende intrinsecamente scarso e difficile da ottenere rapidamente. I principali produttori mondiali sono Cina (che controlla oltre il 50% del mercato), Corea del Sud, Giappone e Canada. Viene utilizzato per produrre il cristallo InP (fosfuro di indio), che è il substrato su cui crescono i laser DFB, che costituiscono il cuore del CPO (Chip-on-Board).
2. Fosforo rosso ad alta purezza (6N/7N):
   Il fosforo è il secondo ingrediente dell'InP. "6N" indica una purezza del 99,9999%, mentre "7N" significa una purezza ancora più alta. Questa purezza estrema è necessaria perché anche le più piccole impurità nel cristallo possono creare difetti che compromettono l'efficienza ottica del laser. Il fosforo è abbondante in natura, ma raffinarlo a questo livello di purezza è un processo industriale complesso che solo poche aziende al mondo sono in grado di eseguire.

2. SUBSTRATI

I substrati sono i materiali di base su cui vengono montati i componenti fotonici e i chip.

• InP (Indium Phosphide) è un materiale semiconduttore avanzato utilizzato per applicazioni fotoniche ad alta velocità, come laser e modulatori ottici, grazie alla sua eccellente capacità di gestione della luce e velocità di trasmissione. È ideale per sistemi avanzati, ma la sua produzione è complessa e costosa.
• SOI (Silicon on Insulator) utilizza un substrato di silicio con un isolante che migliora l'efficienza energetica e riduce le perdite, permettendo l'integrazione fotonica-elettronica. È più economico e scalabile rispetto all'InP, ma adatto a velocità di trasmissione inferiori.

3. LASER E SORGENTI DI LUCE

I laser sono il cuore della trasformazione ottica. Vengono utilizzati per generare luce coerente, che può essere modulata per trasportare informazioni. I bit di dati vengono convertiti in impulsi di luce dal laser, che poi vengono trasmessi attraverso la fibra ottica. La fibra guida la luce mediante riflessione interna totale, riducendo le perdite di segnale. La luce può essere modulata, rappresentando i bit di dati come variazioni nel flusso di luce (per esempio, variando l'intensità, la fase o la frequenza). Infine, quando il segnale arriva alla fine della fibra, viene convertito nuovamente in segnale elettrico tramite un fotodiodo o un rivelatore ottico.

4. FOUNDRY

Un PIC (Photonic Integrated Circuit) è un chip che manipola la luce invece degli elettroni. Contiene componenti come guide d'onda (che dirigono la luce), modulatori (che imprimono i dati sulla luce), fotodetector (che convertono la luce in segnali elettrici) e multiplexer/demultiplexer WDM (che separano i canali a diverse lunghezze d'onda). In un sistema CPO, il PIC funge da "ponte" tra il mondo ottico e quello elettronico, integrandosi direttamente con la GPU o l'ASIC.
Le foundry fotoniche sono le fabbriche che producono questi circuiti fotonici integrati, trasformando i materiali di base (come i wafer) in componenti funzionanti che manipolano la luce.

5. ASSEMBLY, PACKAGING E TESTING

L'assembly, packaging e testing nel CPO è un processo complesso che richiede un allineamento ottico preciso a livello nanometrico tra i componenti. A differenza dei trasceivers tradizionali, il laser è accoppiato direttamente al chip fotonico, un'operazione che richiede attrezzature specializzate e competenze avanzate. Anche un piccolo errore aumenta le perdite, rendendo questo passaggio ad alto valore aggiunto.

6. SISTEMI E MODULI

Il livello di sistemi e moduli integra i componenti fotonici in sistemi completi, come trasceivers e moduli CPO, pronti per l'installazione nei data center. La differenza principale è tra pluggable e CPO. I moduli pluggable sono flessibili ma hanno limiti, come le perdite dovute al connettore. Il CPO elimina il connettore, integrando il modulo ottico nel chip, riducendo perdite, consumo energetico e migliorando la larghezza di banda. Tuttavia, la produzione di CPO è complessa. Esistono anche architetture LRO e LPO, che sono soluzioni intermedie.

7. HYPERSCALER

Gli hyperscaler sono i clienti finali della supply chain e determinano la velocità e la scala del superciclo tecnologico. Le loro decisioni influenzano l'intera catena, inclusi gli investimenti in infrastrutture e architettura. Il CPO è inevitabile per gli hyperscaler, poiché i cluster GPU di ultima generazione (es. NVIDIA Blackwell) richiedono larghezze di banda ottica terabit al secondo per connettere i chip. I moduli pluggable tradizionali non riescono a gestire questa richiesta, causando un consumo energetico insostenibile. Il CPO risolve il problema riducendo connettori, perdite e consumo, permettendo di scalare i cluster AI oltre certi limiti.

Se si crede che quella dell'AI sia una rivoluzione vera, si potrebbe decidere di entrare in questa supply chain.
Ci sono livelli più generali, come quelli delle materie prime che possono essere utilizzati anche per altri scopi (non solo AI) e livelli più specifici come quelli degli hyperscaler.