Rivoluzione della Fotonica al Silicio: la Tecnologia alla Velocità della Luce che Trasforma l’IA, i Data Center e Altro Ancora

La fotonica su silicio utilizza circuiti integrati fotonici su silicio (PIC) per manipolare la luce nell’elaborazione e nella comunicazione dei dati, abilitando interconnessioni on-chip e chip-to-chip a velocità come 100 Gb/s e 400 Gb/s.
Un chip fotonico su silicio delle dimensioni di un’unghia può ospitare dozzine di canali laser e, con il multiplexing a divisione di lunghezza d’onda densa, trasportare terabit di dati.
Le interconnessioni nei data center beneficiano di collegamenti ottici che consumano meno energia e offrono maggiore densità; sono stati dimostrati prototipi come chip di commutazione da 51,2 Tb/s con I/O ottico integrato.
Nel 2024, Ayar Labs ha dimostrato un chiplet ottico che offre 8 Tbps di banda utilizzando 16 lunghezze d’onda, e una Serie D a fine 2024 ha raccolto 155 milioni di dollari con la partecipazione di Nvidia, AMD e Intel, portando la valutazione oltre 1 miliardo di dollari.
Intel ha esternalizzato la produzione dei suoi ricetrasmettitori fotonici su silicio a Jabil a fine 2023 dopo aver spedito oltre 8 milioni di chip ricetrasmettitori fotonici dal 2016.
InnoLight ha dimostrato un prototipo di ricetrasmettitore ottico da 1,6 Tbps a fine 2023, con moduli da 3,2 Tbps previsti entro il 2026, mentre si avvicinano collegamenti multi-terabit.
L’istituto americano AIM Photonics ha ricevuto un programma di 321 milioni di dollari in sette anni fino al 2028 per avanzare la produzione di fotonica integrata negli Stati Uniti, abilitando una fonderia e una linea di packaging per la fotonica su silicio a New York.
Nel 2023 Broadcom ha dimostrato prototipi di switch con ottica co-pacchettizzata da 25,6 Tbps e 51,2 Tbps con motori fotonici laser integrati.
Lightmatter ha raccolto 400 milioni di dollari in una Serie D nel 2024 per finanziare la sua piattaforma di accelerazione AI ottica, e PsiQuantum ha illustrato pubblicamente un percorso verso un computer quantistico fotonico tollerante alle perdite con il suo chip Omega nel 2024.
Gli analisti prevedono che il mercato della fotonica su silicio raggiungerà circa 54 miliardi di dollari entro il 2035, con circa 11 miliardi provenienti da applicazioni non legate ai dati, trainato in gran parte dalle esigenze dei data center per l’AI.

Cos’è la fotonica su silicio e come funziona?

La fotonica su silicio è una tecnologia che utilizza circuiti integrati fotonici su silicio (PIC) per manipolare la luce (fotoni) nell’elaborazione e nella comunicazione. In termini semplici, significa costruire dispositivi ottici (come laser, modulatori e rivelatori) su chip di silicio, in modo simile a come si realizzano i circuiti elettronici. Questi chip fotonici su silicio possono inviare e ricevere dati usando la luce, abilitando trasferimenti dati ultra-veloci con ampia larghezza di banda e basse perdite di energia ansys.com. I componenti chiave includono guide d’onda (minuscoli “fili” ottici che guidano la luce sul chip), modulatori (che codificano i dati sui fasci di luce), laser (di solito aggiunti tramite altri materiali poiché il silicio stesso non può emettere luce) e fotorivelatori (per convertire la luce in arrivo in segnali elettrici) ansys.com. Integrando questi elementi su una piattaforma in silicio, gli ingegneri sfruttano la produzione di semiconduttori (CMOS) già consolidata per produrre in massa dispositivi fotonici, combinando la velocità della luce con la scala della moderna fabbricazione di chip ansys.com.

Come funziona? Invece degli impulsi elettrici nei fili di rame, i circuiti fotonici in silicio utilizzano luce laser infrarossa che scorre attraverso guide d’onda su scala micrometrica. Il silicio è trasparente alle lunghezze d’onda dell’infrarosso, permettendo alla luce di propagarsi con perdite minime quando è confinata da materiali circostanti come il biossido di silicio, che hanno un indice di rifrazione inferiore ansys.com ansys.com. I dati vengono codificati su queste onde luminose tramite modulatori che possono cambiare rapidamente l’intensità o la fase della luce. All’altro capo, i fotorivelatori sul chip convertono i segnali ottici di nuovo in forma elettrica. Poiché la luce oscilla a frequenze molto più alte dei segnali elettrici, gli interconnettori ottici possono trasportare molti più dati al secondo rispetto ai fili elettrici. Una singola fibra o guida d’onda può trasmettere decine o centinaia di gigabit al secondo e, utilizzando più lunghezze d’onda di luce (multiplexing a divisione di lunghezza d’onda densa), una singola fibra può trasportare terabit di dati. In termini pratici, la fotonica in silicio consente comunicazioni on-chip o chip-to-chip a velocità come 100 Gb/s, 400 Gb/s o più, che altrimenti richiederebbero molte linee in rame o sarebbero semplicemente irrealizzabili su distanze maggiori ansys.com optics.org.

I dispositivi fotonici in silicio sono compatti, veloci ed efficienti dal punto di vista energetico. La luce può viaggiare attraverso le guide d’onda con una resistenza molto bassa (senza la capacità elettrica o i problemi di riscaldamento che si verificano con il rame ad alte velocità), il che significa un potenziale consumo energetico inferiore per lo spostamento dei dati. Un’analisi osserva che gli interconnettori ottici possono alleviare drasticamente i colli di bottiglia dei dati e ridurre il calore nei sistemi ad alte prestazioni – “gli interconnettori ottici, abilitati dalla fotonica in silicio, sono l’unica strada scalabile per il futuro” per gestire la crescente domanda di larghezza di banda laserfocusworld.com. In breve, la fotonica in silicio unisce la piattaforma a basso costo e facilmente producibile dei chip in silicio con la fisica della luce, creando “circuiti per fotoni” su un chip ansys.com. Questa tecnologia ci permette di spostare letteralmente i dati alla velocità della luce in contesti in cui l’elettronica tradizionale sta raggiungendo i suoi limiti.

Applicazioni chiave della fotonica in silicio

La fotonica in silicio è nata nelle comunicazioni in fibra ottica, ma oggi è una piattaforma versatile che trova impiego in molti settori all’avanguardia. Grazie alla sua alta velocità ed efficienza energetica, qualsiasi campo che abbia bisogno di spostare enormi quantità di dati (o controllare la luce con precisione) è un potenziale candidato. Ecco alcune delle applicazioni chiave:

Data center e reti cloud ad alta velocità

Una delle applicazioni più importanti è all’interno dei data center e dei supercomputer, dove la fotonica su silicio risponde all’urgente necessità di interconnessioni più veloci ed efficienti. I moderni cloud e data center iperscalabili gestiscono enormi flussi di dati tra server, rack e attraverso le reti di campus. I cavi in rame e gli switch elettrici tradizionali rappresentano sempre più un collo di bottiglia: consumano troppa energia e non possono essere scalati oltre certe distanze o velocità (ad esempio, i collegamenti in rame a 100 Gb/s funzionano solo per pochi metri). Le interconnessioni fotoniche su silicio risolvono questo problema utilizzando fibre ottiche e motori ottici integrati per collegare server e switch a velocità molto elevate con perdite minime. I ricetrasmettitori ottici basati sulla fotonica su silicio stanno già sostituendo o integrando le connessioni elettriche per la comunicazione da rack a rack e persino all’interno dello stesso rack tanaka-preciousmetals.com.

Cisco e Intel sono stati pionieri in questo campo: Cisco ora progetta ricetrasmettitori ottici pluggable ad alta velocità utilizzando la fotonica al silicio per collegare apparecchiature di rete expertmarketresearch.com. Anche Intel ha sfruttato la fotonica al silicio per potenziare la connettività dei data center, spedendo milioni di chip ricetrasmettitori ottici 100G e ora incrementando la produzione di moduli ottici 200G, 400G e campionando moduli ottici 800G tanaka-preciousmetals.com. La motivazione è chiara: man mano che le velocità di trasmissione raddoppiano da 100G a 200G a 400G, la portata del rame si riduce drasticamente. “Quando oggi entri in un data center, vedrai cavi in rame da 100 Gb/s che collegano i server allo switch top-of-rack… Quei cavi vanno bene per circa quattro metri. Ma tutto ciò che va oltre il rack utilizza già la tecnologia ottica,” osserva Robert Blum, senior director of photonics di Intel, aggiungendo che “man mano che aumentiamo le velocità di trasmissione a 200 o 400 Gb/s, la portata del rame diventa molto più breve e iniziamo a vedere questa tendenza in cui la tecnologia ottica arriva fino al server.” tanaka-preciousmetals.com Nei cluster di high-performance computing (HPC) e nei supercomputer AI, dove migliaia di processori necessitano di collegamenti a bassa latenza, gli interconnettori ottici forniscono la larghezza di banda necessaria per alimentare tutti quei chip con dati ansys.com, laserfocusworld.com. Portando la fotonica sullo switch e persino all’interno dei package dei processori (le cosiddette ottiche co-pacchettizzate), le future reti dei data center raggiungeranno throughput molto più elevati. Infatti, chip di switching da 51,2 Tb/s con I/O ottico integrato sono all’orizzonte e sono già stati dimostrati prototipi tanaka-preciousmetals.com.

I vantaggi per i data center sono significativi: consumo energetico inferiore (i collegamenti ottici disperdono molta meno energia sotto forma di calore rispetto al trasporto di elettroni attraverso il rame a decine di GHz), maggiore densità (molti canali ottici possono essere multiplexati senza preoccuparsi delle interferenze elettromagnetiche) e maggiore portata (i segnali ottici possono viaggiare per chilometri se necessario). Questo significa che la fotonica su silicio aiuta i data center a scalare le prestazioni senza essere limitati dai limiti degli interconnettori. Un analista di mercato ha osservato che i data center incentrati sull’IA stanno guidando una domanda senza precedenti di ricetrasmettitori ottici ad alte prestazioni, affermando che “la fotonica su silicio e i PIC sono in prima linea in questa rivoluzione, grazie alla loro capacità di trasmettere dati a velocità di 1,6 Tbps e oltre.” optics.org In termini pratici, un singolo chip fotonico delle dimensioni di un’unghia può contenere dozzine di canali laser, che insieme trasportano terabit di dati – fondamentale per l’infrastruttura cloud di nuova generazione.

Accelerazione di IA e Machine Learning

L’esplosione dei carichi di lavoro di IA e machine learning è un caso particolare dell’applicazione nei data center – merita una menzione a parte perché l’IA comporta alcune esigenze uniche e ha stimolato nuovi usi per la fotonica su silicio. L’addestramento di modelli IA avanzati (come i grandi modelli linguistici che alimentano i chatbot) comporta calcoli massicciamente paralleli distribuiti su molte GPU o acceleratori IA specializzati. Questi chip devono scambiarsi enormi quantità di dati per attività come l’addestramento dei modelli, spesso saturando i collegamenti elettrici convenzionali. La fotonica su silicio offre un duplice vantaggio all’IA: interconnessioni ad ampia larghezza di banda e persino il potenziale per il calcolo ottico.

Sul versante dell’interconnessione, si stanno sviluppando collegamenti ottici per connettere direttamente chip acceleratori AI o memoria utilizzando la luce (a volte chiamati optical I/O). Sostituendo il tradizionale backplane del server o la comunicazione GPU-to-GPU con fibra ottica, i sistemi AI possono ridurre significativamente la latenza di comunicazione e il consumo energetico. Ad esempio, startup come Ayar Labs stanno creando chiplet optical I/O che si affiancano ai processori per trasmettere dati dentro e fuori utilizzando la luce, eliminando i densi fasci di tracce in rame che altrimenti sarebbero necessari. Nel 2024, Ayar Labs ha dimostrato un chiplet ottico in grado di fornire 8 Tbps di banda utilizzando 16 lunghezze d’onda di luce – un segno di come potrebbero essere le interconnessioni AI di nuova generazione businesswire.com. I principali produttori di chip stanno prestando attenzione: Nvidia, AMD e Intel hanno ciascuno investito in Ayar Labs come parte di un round di finanziamento da 155 milioni di dollari, scommettendo che le interconnessioni ottiche saranno la chiave per scalare l’hardware AI del futuro nextplatform.com. Come ha scherzato un giornalista, se non si riesce a ottenere abbastanza velocità semplicemente rendendo i chip più veloci, “la prossima cosa migliore su cui investire probabilmente è qualche forma di optical I/O.” nextplatform.com

Oltre a spostare dati tra chip AI, la fotonica su silicio sta anche abilitando il calcolo ottico per l’AI. Questo significa eseguire alcuni calcoli (come le moltiplicazioni di matrici nelle reti neurali) usando la luce invece dell’elettricità, il che potrebbe potenzialmente superare alcune delle limitazioni di velocità ed energia degli attuali acceleratori AI elettronici. Aziende come Lightmatter e Lightelligence hanno costruito prototipi di processori fotonici che utilizzano l’interferenza della luce in guide d’onda in silicio per calcolare risultati in parallelo. Alla fine del 2024, Lightmatter ha raccolto un notevole round Series D da 400 milioni di dollari (portando la sua valutazione a 4,4 miliardi) per far progredire la sua tecnologia di calcolo ottico nextplatform.com. Sebbene ancora emergenti, questi acceleratori AI fotonici promettono un’esecuzione ultra-rapida e a bassa latenza delle reti neurali con un consumo energetico molto inferiore, poiché i fotoni generano un calore minimo rispetto ai miliardi di commutazioni di transistor.

In generale, man mano che i modelli di IA crescono in dimensioni e complessità (e richiedono cluster di decine di migliaia di chip), la fotonica del silicio è vista come un “cambio di paradigma” che può superare i colli di bottiglia nella comunicazione dell’infrastruttura IA laserfocusworld.com. Offre un modo per scalare la larghezza di banda tra i processori in modo lineare rispetto alla domanda, cosa con cui i collegamenti elettrici hanno difficoltà. Gli osservatori del settore prevedono che le tecnologie ottiche (come le ottiche co-pacchettizzate, i collegamenti ottici chip-to-chip e forse elementi di calcolo fotonico) diventeranno standard nei sistemi IA nei prossimi anni – non solo un esperimento di nicchia. Infatti, secondo una stima, i data center IA cresceranno così rapidamente (50% CAGR nel consumo energetico) che entro il 2030 potrebbero diventare insostenibili con l’attuale I/O elettrico, rendendo la fotonica del silicio “una parte indispensabile della nostra infrastruttura futura” per mantenere l’IA scalabile laserfocusworld.com.

Telecomunicazioni e Networking

La fotonica del silicio ha le sue radici nelle telecomunicazioni e continua a rivoluzionare il modo in cui trasmettiamo i dati su lunghe distanze. Nelle reti di telecomunicazione in fibra ottica – sia che si tratti della dorsale di Internet, di cavi sottomarini, o di reti metropolitane e di accesso – la fotonica integrata viene utilizzata per realizzare ricetrasmettitori ottici più piccoli, veloci ed economici. I sistemi tradizionali di comunicazione ottica spesso si basavano su componenti discreti (laser, modulatori, rivelatori assemblati singolarmente), ma l’integrazione fotonica su silicio può mettere molti di questi componenti su un unico chip, migliorando l’affidabilità e riducendo i costi di assemblaggio tanaka-preciousmetals.com.

Oggi, i moduli ricetrasmettitori ottici che utilizzano la fotonica del silicio sono comuni negli interconnettori dei data center e vengono adottati sempre più spesso nelle infrastrutture di telecomunicazione per 100G, 400G e oltre. Ad esempio, aziende come Infinera e Cisco (Acacia) hanno sviluppato ricetrasmettitori ottici coerenti basati sulla fotonica del silicio per collegamenti a 400G e 800G nelle reti di telecomunicazione. Anche le reti wireless a banda larga e 5G/6G ne traggono beneficio: i collegamenti in fibra che connettono le torri cellulari o trasportano dati fronthaul/backhaul possono essere resi più efficienti con la fotonica del silicio. Intel ha sottolineato che la fotonica del silicio giocherà un ruolo nelle “implementazioni 5G di nuova generazione utilizzando fattori di forma più piccoli e velocità più elevate, dai 100G di oggi ai 400G e oltre di domani” expertmarketresearch.com. La capacità di integrare dozzine di lunghezze d’onda laser su un chip è utile per i sistemi DWDM (dense wavelength-division multiplexing), che gli operatori di telecomunicazioni utilizzano per inserire più canali su ogni fibra. Nel 2023, un’azienda cinese, InnoLight, ha persino dimostrato un ricetrasmettitore ottico da 1,6 Tb/s (utilizzando più lunghezze d’onda e modulazione avanzata) – un segno che i collegamenti ottici multi-terabit sono ormai prossimi optics.org.

Un’altra applicazione di rete si trova nei dispositivi di routing e switching core. I router di fascia alta e le piattaforme di switching ottico stanno iniziando a utilizzare circuiti fotonici in silicio per funzioni come switching ottico, instradamento del segnale e persino filtraggio delle lunghezze d’onda direttamente sul chip. Ad esempio, sono stati prototipati grandi switch fabric fotonici in silicio che utilizzano MEMS in silicio o effetti termo-ottici per commutare rapidamente i percorsi della luce, potenzialmente abilitando il circuit switching completamente ottico. Questi potrebbero essere utilizzati in futuro nelle reti dei data center per riconfigurare otticamente le connessioni in tempo reale (Google ha lasciato intendere di utilizzare switch ottici in alcuni dei suoi cluster AI) nextplatform.com.

Nel complesso, nelle telecomunicazioni gli obiettivi sono maggiore capacità e costo per bit inferiore. La fotonica su silicio contribuisce a scalare la capacità della fibra ottica (100G → 400G → 800G e 1,6T per lunghezza d’onda) e a ridurre i costi di produzione grazie ai processi di fabbricazione CMOS. È significativo che la divisione di fotonica su silicio di Intel, prima della ristrutturazione, abbia spedito oltre 8 milioni di chip transceiver fotonici dal 2016 al 2023 per usi in data center e networking optics.org. E le collaborazioni industriali stanno crescendo: ad esempio, Intel a fine 2023 ha annunciato che trasferirà la produzione dei suoi transceiver a Jabil (un produttore conto terzi) per aumentare ulteriormente la scala produttiva optics.org. Nel frattempo, giganti dei componenti ottici come Coherent (ex II-VI) e fornitori tradizionali di telecomunicazioni (Nokia, Ciena, ecc.) stanno tutti investendo nella fotonica su silicio per i moduli ottici di nuova generazione optics.org. La tecnologia sta diventando un pilastro sia dell’infrastruttura fisica di Internet sia dell’ecosistema in rapida evoluzione delle comunicazioni 5G/6G.

Sensing e LiDAR

La fotonica su silicio non riguarda solo le comunicazioni: sta anche abilitando nuovi tipi di sensori sfruttando il controllo preciso della luce su chip. Un’area entusiasmante è quella del sensing biochimico e ambientale. I sensori fotonici su silicio possono rilevare minime variazioni dell’indice di rifrazione o dell’assorbimento quando un campione (come una goccia di sangue o un vapore chimico) interagisce con un fascio di luce guidato. Ad esempio, un chip fotonico su silicio potrebbe avere un minuscolo risonatore ad anello o un interferometro che cambia frequenza quando determinate molecole si legano ad esso. Questo consente un sensing in stile lab-on-a-chip di biomarcatori – proteine, DNA, gas, ecc. – con elevata sensibilità e potenzialmente a basso costo. Tali biosensori fotonici potrebbero essere utilizzati per la diagnostica medica, il monitoraggio ambientale o persino per applicazioni di “naso artificiale” optics.org optics.org. I vantaggi di miniaturizzazione e integrazione sono fondamentali: un singolo chip sensore fotonico su silicio potrebbe integrare sorgenti luminose, elementi sensibili e fotorivelatori, offrendo un sensore compatto e robusto invece di ingombranti apparecchiature ottiche da laboratorio. La ricerca nella fotonica su nitruro di silicio (una variante che funziona meglio per le lunghezze d’onda visibili) sta aprendo ancora più applicazioni di sensing, poiché il SiN può guidare la luce visibile per rilevare segnali come la fluorescenza o il Raman che il silicio puro non può.

Un’altra applicazione in forte espansione è il LiDAR (Light Detection and Ranging) per veicoli autonomi, droni e robotica. I sistemi LiDAR emettono impulsi laser e misurano la luce riflessa per mappare le distanze – in sostanza una “visione laser 3D”. Le unità LiDAR tradizionali spesso si basano su scansione meccanica e laser/rivelatori discreti, il che le rende costose e piuttosto ingombranti. La fotonica su silicio offre un modo per costruire LiDAR su un chip: integrando elementi di puntamento del fascio, divisori, modulatori e rivelatori in modo monolitico. Un LiDAR fotonico su silicio può utilizzare il puntamento del fascio a stato solido (ad esempio, matrici di fase ottiche) per scansionare l’ambiente senza parti mobili. Questo riduce drasticamente le dimensioni e i costi delle unità LiDAR. Infatti, Mobileye di Intel ha indicato che sta utilizzando circuiti integrati fotonici su silicio nei suoi sensori LiDAR di prossima generazione per la guida autonoma intorno al 2025 tanaka-preciousmetals.com. Tale integrazione potrebbe abbassare i costi del LiDAR e consentirne la diffusione di massa nelle automobili. Il LiDAR basato su fotonica su silicio può anche ottenere scansioni più rapide e una risoluzione più elevata sfruttando più lunghezze d’onda o tecniche di rilevamento coerente integrate nel chip. Come ulteriore vantaggio, queste soluzioni integrate tendono a consumare meno energia – un fattore importante per i veicoli elettrici.

Secondo Ansys, “le soluzioni LiDAR abilitate dalla fotonica su silicio sono più compatte, consumano meno energia e sono meno costose da produrre rispetto ai sistemi costruiti con componenti discreti.” ansys.com Questo riassume perfettamente perché aziende, dalle startup ai giganti tecnologici, stanno correndo per sviluppare LiDAR fotonici. Stiamo già vedendo prototipi di LiDAR FMCW (LiDAR a onda continua modulata in frequenza), che richiede delicati circuiti fotonici come laser sintonizzabili e interferometri. La fotonica su silicio è una piattaforma naturale per questo, ed esperti prevedono che la fotonica integrata sarà la chiave per rendere il LiDAR FMCW praticabile su larga scala (per la sua lunga portata e immunità alle interferenze) optics.org optics.org. Nel prossimo futuro, aspettatevi auto e droni dotati di piccole unità LiDAR su chip ad alte prestazioni – un prodotto diretto dell’innovazione nella fotonica su silicio.

Oltre al LiDAR, altri usi nei sensori includono giroscopi e sensori inerziali (utilizzando giroscopi laser ad anello su chip per la navigazione), e spettrometri (spettrometri ottici integrati per l’analisi chimica). Il filo conduttore è che la fotonica su silicio porta la precisione della misurazione ottica in un formato miniaturizzato e producibile. Questo sta aprendo nuove possibilità nell’elettronica di consumo (immaginate un sensore ottico per la salute in uno smartwatch), nel monitoraggio industriale e negli strumenti scientifici.

Quantum Computing e Tecnologie Quantistiche Fotoniche

Nella ricerca sui computer quantistici, i fotoni (particelle di luce) svolgono un ruolo unico. A differenza degli elettroni, i fotoni possono viaggiare su lunghe distanze senza interagire con l’ambiente (utile per trasmettere informazioni quantistiche), e alcuni schemi di calcolo quantistico utilizzano i fotoni stessi come qubit. La fotonica su silicio è emersa come una delle principali piattaforme per la ricerca sul calcolo e il networking quantistico.

Diverse startup e gruppi di ricerca stanno lavorando su computer quantistici fotonici che utilizzano circuiti fotonici basati su silicio per generare e manipolare qubit codificati nella luce. Ad esempio, PsiQuantum, una startup fortemente finanziata, sta collaborando con una fonderia di semiconduttori per costruire un computer quantistico su larga scala utilizzando migliaia di canali qubit fotonici in silicio. L’idea è integrare dispositivi come sorgenti di singolo fotone, divisori di fascio, sfasatori e rivelatori di fotoni su un chip per eseguire logica quantistica con i fotoni. Il vantaggio della fotonica su silicio qui è la scalabilità: poiché sfrutta la fabbricazione CMOS, si può (in linea di principio) creare circuiti fotonici quantistici molto complessi con centinaia o migliaia di componenti, cosa molto più difficile con altri approcci hardware quantistici. Infatti, i ricercatori hanno recentemente dimostrato chip fotonici in silicio con migliaia di componenti che lavorano insieme per la manipolazione della luce quantistica nature.com.

La fotonica su silicio consente anche il networking quantistico – comunicazioni sicure tramite distribuzione quantistica delle chiavi (QKD) e fotoni entangled – fornendo una piattaforma per trasmettitori e ricevitori quantistici ottici compatti e stabili. Inoltre, alcune tecnologie di sensori quantistici (come giroscopi quantistici ottici o LiDAR a singolo fotone) possono utilizzare chip fotonici in silicio come nucleo.

Una delle principali sfide nel calcolo quantistico fotonico è generare fotoni singoli su richiesta e instradarli con basse perdite. Interessante notare che le stesse limitazioni (e soluzioni) che si applicano alla fotonica su silicio classica valgono anche nel quantistico: il silicio non emette laser in modo nativo, quindi i chip fotonici quantistici spesso utilizzano processi non lineari integrati o sorgenti a punti quantici per creare fotoni singoli, oppure integrano in modo ibrido materiali specializzati. I vantaggi sono però simili: alta precisione e miniaturizzazione. Come osserva il rapporto Ansys, i computer quantistici usano i fotoni per i calcoli, e gestire questi fotoni con la fotonica integrata porta vantaggi in termini di velocità, precisione e costi ansys.com. In pratica, la fotonica su silicio può fornire la stabilità e la producibilità necessarie per portare i sistemi quantistici dagli esperimenti di laboratorio alle macchine reali.

Oltre all’informatica, i sensori quantistici fotonici (come gli interferometri che sfruttano stati quantistici per una sensibilità extra) e i generatori quantistici di numeri casuali sono altri ambiti in cui la fotonica su silicio sta avendo un impatto. Sebbene il calcolo quantistico fotonico sia ancora in fase di sviluppo e probabilmente a qualche anno dalla maturità, i forti investimenti in questo campo ne sottolineano il potenziale. Nel 2022, un importante ricercatore, il Prof. John Bowers, ha evidenziato che la fotonica su silicio stava avanzando rapidamente con molte nuove applicazioni, incluso il quantistico, all’orizzonte nature.com. È prevedibile che i primi computer quantistici su larga scala potrebbero effettivamente essere ottici, costruiti su chip fotonici in silicio – un affascinante ritorno alle origini, dove una tecnologia inizialmente sviluppata per le telecomunicazioni potrebbe abilitare il prossimo salto nel calcolo.

Tendenze e sviluppi attuali (2025)

Nel 2025, la fotonica su silicio sta guadagnando uno slancio enorme. Una serie di tendenze si sono unite per spingere questa tecnologia dai laboratori e dagli usi di nicchia al mainstream dell’industria tecnologica:

Collo di bottiglia dei dati e ottica co-pacchettata: L’insaziabile domanda di dati (soprattutto da servizi di IA e cloud) ha reso gli interconnettori elettrici un serio collo di bottiglia. Siamo arrivati al punto in cui, ogni volta che si raddoppia la larghezza di banda di un interconnettore, bisogna dimezzare la lunghezza del cavo in rame per mantenere l’integrità del segnale nextplatform.com – un compromesso insostenibile. Questa urgenza ha messo in luce approcci come le ottiche co-pacchettate (CPO), dove i motori ottici sono posizionati proprio accanto agli ASIC degli switch o ai chip dei processori per eliminare quasi tutta la distanza di trasmissione elettrica. Nel 2023, diverse aziende hanno dimostrato l’uso di ottiche co-pacchettate negli switch (ad es. i prototipi di switch Broadcom da 25,6 Tb/s e 51,2 Tb/s con motori fotonici laser integrati). Le roadmap del settore suggeriscono che chip switch Ethernet da 51,2 Tb/s con fotonica al silicio co-pacchettata dovrebbero arrivare sul mercato nel prossimo anno o due tanaka-preciousmetals.com, e che intorno al 2026–2027 vedremo probabilmente le prime CPU/GPU che sfruttano direttamente l’I/O ottico nextplatform.com. In altre parole, la nuova era ottica degli interconnettori sta per sorgere nei sistemi pratici. Aziende come Intel, Nvidia e Cisco stanno tutte sviluppando attivamente soluzioni CPO. Infatti, il progetto Tomambe di Intel e altri hanno già dimostrato motori fotonici da 1,6 Tb/s integrati con chip switch tanaka-preciousmetals.com. Il consenso generale: dopo anni di ricerca, l’ottica co-pacchettata sta passando dal prototipo al prodotto, puntando a ridurre la potenza per bit avvicinando le sorgenti luminose alla sorgente dei dati (un risparmio energetico del 30% rispetto ai moduli pluggabili, secondo una stima laserfocusworld.com).
Impennata di investimenti e attività di startup: Negli ultimi anni si sono registrati importanti investimenti e finanziamenti in imprese di fotonica su silicio. Questo riflette la fiducia che l’industria ripone nel futuro di questa tecnologia. Ad esempio, alla fine del 2024 Ayar Labs ha raccolto 155 milioni di dollari in un round di Serie D (raggiungendo così lo status di “unicorno” con una valutazione superiore a 1 miliardo di dollari) per scalare le sue soluzioni di I/O ottico; da notare che questo round ha visto investimenti strategici da parte di Nvidia, AMD e Intel stessi nextplatform.com. Allo stesso modo, la startup di calcolo fotonico Lightmatter ha ottenuto 400 milioni di dollari di finanziamento nel 2024 per sviluppare ulteriormente la sua piattaforma ottica di accelerazione AI nextplatform.com. Un’altra startup, Celestial AI, che si concentra su interconnessioni ottiche per l’AI, non solo ha raccolto 175 milioni di dollari all’inizio del 2024, ma è anche riuscita a acquisire il portafoglio di proprietà intellettuale in fotonica su silicio di Rockley Photonics (un tempo azienda di fotonica focalizzata sul sensing) per 20 milioni di dollari nell’ottobre 2024 datacenterdynamics.com. Questa acquisizione ha dato a Celestial AI oltre 200 brevetti nella fotonica su silicio e segnala una certa consolidazione nel settore: i player più piccoli con tecnologie fotoniche di valore (Rockley aveva sviluppato modulatori avanzati e ottica integrata per dispositivi indossabili) vengono assorbiti da aziende che puntano ai mercati dei data center e dell’AI. Abbiamo visto anche HyperLight e Lightium, due startup specializzate in chip fotonici in niobato di litio a film sottile, attrarre insieme 44 milioni di dollari di investimenti nel 2023 optics.org, a testimonianza dell’interesse verso nuovi materiali per migliorare la fotonica su silicio (i modulatori TFLN possono offrire velocità maggiori e basse perdite). Nel complesso, i finanziamenti VC e il supporto aziendale per le aziende di fotonica su silicio sono ai massimi storici, riflettendo la consapevolezza che la tecnologia ottica è fondamentale per i semiconduttori del futuro.
Maturazione della tecnologia e crescita dell’ecosistema: Un’altra tendenza è la maturazione dell’ecosistema della fotonica su silicio. Sempre più fonderie e fornitori sono ora coinvolti. In passato, solo pochi attori (come Intel o Luxtera) avevano capacità end-to-end. Ora, grandi fonderie di semiconduttori come GlobalFoundries, TSMC e persino STMicroelectronics offrono linee di processo per la fotonica su silicio o PDK fotonici standardizzati (Process Design Kits) per i clienti ansys.com. Questa standardizzazione significa che startup o aziende più piccole possono progettare circuiti fotonici e farli fabbricare senza dover costruire una propria fabbrica – in modo analogo a come operano le aziende di chip elettronici fabless. Esistono regolari shuttle multi-progetto su wafer (MPW) per chip fotonici, in cui più progetti condividono una corsa su wafer, riducendo drasticamente i costi di prototipazione. I gruppi industriali stanno lavorando su soluzioni di packaging standardizzate (interfacce I/O ottiche, metodi di fissaggio delle fibre) affinché i chip fotonici possano essere integrati più facilmente nei prodotti. L’istituzione dell’American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) è stata un grande impulso: questo consorzio pubblico-privato ha creato una fonderia e una linea di packaging per la fotonica su silicio a New York e ha recentemente ottenuto un programma da 321 milioni di dollari per 7 anni (fino al 2028) per promuovere la produzione di fotonica integrata negli Stati Uniti. nsf.gov. Allo stesso modo, in Europa, istituti di ricerca come IMEC in Belgio e CEA-Leti in Francia stanno fornendo piattaforme per la fotonica su silicio e hanno favorito la nascita di un cluster di startup fotoniche. In Cina, anche la fotonica su silicio sta crescendo, con aziende come InnoLight e Huawei che investono nelle capacità nazionali di chip fotonici optics.org optics.org. Tutti questi sviluppi indicano che la fotonica su silicio non è più una tecnologia sperimentale – sta diventando una parte standard della cassetta degli attrezzi dei semiconduttori.
Velocità più elevate e nuovi materiali: Dal punto di vista tecnologico, stiamo assistendo a rapidi progressi nel miglioramento delle prestazioni dei dispositivi fotonici al silicio. I ricetrasmettitori ottici da 800G sono ora in fase di campionamento, sono stati dimostrati moduli da 1,6 Tb/s optics.org, e si prevede che moduli pluggabili da 3,2 Tb/s arriveranno entro il 2026 optics.org. Per raggiungere queste velocità, gli ingegneri stanno utilizzando di tutto, dalla multiplazione di lunghezza d’onda a 16 canali a formati di modulazione avanzati – sfruttando essenzialmente il dominio ottico per trasmettere più bit. A livello di dispositivo, nuovi materiali vengono integrati nella fotonica al silicio per superare i limiti del silicio. Un esempio importante è il thin-film lithium niobate (TFLN) su silicio, che offre modulatori ad effetto Pockels molto veloci e a bassa perdita. Questo potrebbe consentire modulatori in grado di gestire larghezze di banda di modulazione superiori a 100 GHz, adatti per futuri collegamenti 1.6T e 3.2T o persino per applicazioni quantistiche optics.org. Startup come HyperLight stanno commercializzando questi chip ibridi LiNbO3/Si. Altri materiali in fase di ricerca e sviluppo includono modulatori elettro-ottici in barium titanate (BTO) e materiali drogati con terre rare per laser/amplificatori integrati optics.org. Prosegue inoltre il lavoro sull’integrazione di semiconduttori III-V (InP, GaAs) su silicio per ottenere laser e amplificatori ottici migliori – ad esempio, i laser a punti quantici cresciuti direttamente su silicio hanno fatto grandi progressi, risolvendo problemi di affidabilità che avevano ostacolato i primi tentativi nature.com nature.com. In breve, la gamma di materiali per la fotonica al silicio si sta ampliando, il che porterà a prestazioni più elevate e nuove funzionalità. Stiamo persino vedendo microcombs (sorgenti di pettini di frequenza ottica) basati su fotonica al silicio essere utilizzati per applicazioni come la trasmissione dati ultrarapida e la spettroscopia di precisione, qualcosa che sarebbe sembrato fantascientifico solo dieci anni fa.
Applicazioni e Prodotti Emergenti: Accanto alle applicazioni principali, nel 2025 stanno emergendo alcuni nuovi casi d’uso. Uno è il calcolo ottico per l’IA (già discusso in precedenza), che sta passando dalle dimostrazioni di ricerca ai primi prodotti – ad esempio, Lightelligence ha presentato un hardware di calcolo fotonico per accelerare l’inferenza dell’IA. Un altro è rappresentato dai collegamenti ottici chip-to-chip nei packaging avanzati: mentre le aziende esplorano moduli multichip e chiplet, i collegamenti ottici possono connettere questi chiplet ad alta velocità attraverso un package o un interposer. Standard come UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) stanno persino considerando estensioni ottiche PHY. Stiamo anche assistendo a un interesse da parte dei governi: DARPA e altre agenzie hanno programmi per utilizzare interconnessioni fotoniche nei sistemi di difesa (per l’elaborazione di fascia alta e l’instradamento di segnali RF). E nel settore consumer, si ipotizza che entro pochi anni l’I/O ottico possa apparire nei dispositivi di consumo – ad esempio, un visore AR/VR che utilizza un chip fotonico al silicio per collegamenti sensore a banda larga, o un cavo Thunderbolt ottico per occhiali AR. Anche se non sono ancora realtà, queste idee sono già in fase di progettazione.

In sintesi, il 2025 trova la fotonica al silicio a un punto di svolta: stanno arrivando prodotti commerciali significativi (soprattutto nel networking), stanno affluendo enormi investimenti e l’ecosistema sta maturando. È sempre più chiaro che l’ottica giocherà un ruolo fondamentale nell’informatica e nella connettività del futuro. Come ha detto un commentatore del settore, nella seconda metà di questo decennio molti si aspettano che l’I/O ottico passi dalle linee pilota alla produzione di massa – “la generazione di motori di calcolo del 2025 potrebbe non avere la fotonica al silicio, ma quella del 2026 potrebbe e quella del 2027 quasi certamente la avrà”, perché in definitiva non abbiamo altra scelta – “il tempo del rame è finito.” nextplatform.com

Sfide e Limitazioni

Nonostante tutto l’entusiasmo, la fotonica al silicio deve affrontare diverse sfide e limitazioni che ricercatori e ingegneri stanno attivamente cercando di superare. È una tecnologia trasformativa, ma non una soluzione magica – almeno non ancora. Ecco i principali ostacoli:

Integrazione delle sorgenti luminose: Forse la limitazione più nota è che il silicio non è adatto a generare luce. Il silicio ha una banda proibita indiretta, il che significa che non può funzionare come un laser o un LED efficiente. Come afferma senza mezzi termini il pioniere della fotonica John Bowers, “Il silicio è incredibilmente scarso come emettitore di luce.” nature.com La sua efficienza interna è quasi nulla: circa uno su un milione di elettroni nel silicio produrrà un fotone, mentre semiconduttori III-V come il fosfuro di indio o l’arseniuro di gallio possono emettere luce con un’efficienza vicina al 100% nature.com. Questo significa che, per avere laser su un chip fotonico in silicio, di solito è necessario introdurre altri materiali. Ciò può essere fatto tramite integrazione ibrida (incollando una fetta di InP con diodi laser sul wafer di silicio) o con tecniche più recenti come la crescita diretta di laser III-V nanostrutturati sul silicio. I progressi in questo campo sono promettenti: aziende e laboratori (Intel, UCSB, ecc.) hanno dimostrato laser integrati ibridi su larga scala, e recentemente anche laser a punti quantici cresciuti su wafer di silicio da 300 mm con buona affidabilità nature.com nature.com. Tuttavia, integrare i laser aggiunge complessità e costi. Se il laser è off-chip (in un modulo laser separato accoppiato tramite fibra), si presenta poi la sfida di accoppiare efficientemente quella luce nelle minuscole guide d’onda sul chip. In breve, portare la luce sul chip è un compito tutt’altro che banale. L’industria sta esplorando soluzioni come integrazione eterogenea (più materiali su un solo chip) e persino approcci innovativi come laser a Germanio-Silicio pompati elettricamente o laser Raman su silicio, ma questi sono ancora in fase emergente. Al 2025, la maggior parte dei sistemi di fotonica su silicio utilizza laser ibridi o laser esterni accoppiati. Questo è uno dei principali ambiti di ricerca in corso.
Produzione e resa: I circuiti fotonici in silicio possono essere prodotti in fab esistenti, ma hanno requisiti diversi rispetto ai chip elettronici. Ad esempio, l’ottica richiede un controllo molto preciso delle dimensioni – variazioni di pochi nanometri nella larghezza o nella spaziatura delle guide d’onda possono alterare la lunghezza d’onda dei risonatori o la fase della luce. Ottenere un’alta resa (cioè prestazioni costanti su molti chip) è una sfida. Inoltre, integrare più tipi di materiali (silicio, nitruro di silicio, III-V, metalli) in un unico flusso di processo può introdurre complessità. L’accoppiamento delle fibre al chip è anch’esso una sfida di resa e produzione; allineare minuscole fibre ottiche a faccette di guide d’onda su scala micrometrica attualmente spesso richiede un costoso allineamento attivo. Alcuni di questi passaggi sono ancora semi-manuali nella produzione, il che non si adatta bene alla scala. C’è molto lavoro per migliorare le tecniche di packaging, come l’uso di unità standardizzate per l’attacco delle fibre o l’incorporazione di grating coupler che permettono alle fibre di accoppiare la luce dall’alto del chip più facilmente. Anche il packaging di chip combinati elettronici + fotonici è complicato – ad esempio, se si ha un die fotonico e un ASIC elettronico nello stesso package, bisogna allinearli e anche gestire il calore (poiché l’elettronica che si surriscalda può disturbare la fotonica). Ansys osserva che se elettronica e fotonica condividono un chip, l’approccio produttivo deve bilanciare le esigenze di ciascuno, e se sono chip separati, serve un packaging avanzato – “la generazione di calore nell’elettronica può influenzare la fotonica.” ansys.com La regolazione termica è un altro problema: molti filtri e modulatori fotonici in silicio si basano su effetti termici, quindi i cambiamenti di temperatura possono disintonare i circuiti, richiedendo energia per stabilizzarli. Tutto ciò complica la produzione e fa aumentare i costi.
Costo e volume: Parlando di costi – mentre la fotonica su silicio promette costi bassi sfruttando le fabbriche di silicio ad alto volume, la realtà attuale è che questi dispositivi sono ancora relativamente di nicchia e costosi. L’industria spedisce milioni di unità (come ricetrasmettitori nei data center), ma per abbassare davvero i costi, probabilmente dovrebbe spedire miliardi di unità ogni anno ansys.com. In altre parole, non ha ancora raggiunto la scala dell’elettronica di consumo. I dispositivi spesso richiedono anche un packaging specializzato (come già detto) e test specifici, che aggiungono costi. Un attuale ricetrasmettitore fotonico su silicio per data center può costare centinaia o migliaia di dollari, un prezzo accettabile per quel mercato ma troppo alto per i mercati consumer. L’economia è un po’ incerta su scala molto ampia – come ha sottolineato un rapporto, i grandi acquirenti cloud sono preoccupati per l’affidabilità e la struttura dei costi se dovessero adottare la fotonica su silicio su larga scala, poiché la tecnologia non ha ancora raggiunto la curva di apprendimento produttiva del silicio tradizionale nextplatform.com. Tuttavia, i costi stanno migliorando costantemente, e iniziative come PDK standard di fonderia e automazione stanno aiutando. Nei prossimi anni, con l’aumento dei volumi (trainato da AI e data center), dovremmo vedere una riduzione dei costi, che a sua volta aprirà nuovi mercati (è un circolo virtuoso una volta avviato). Tuttavia, nel 2025 il costo per dispositivo può essere un fattore limitante per l’adozione della fotonica su silicio in applicazioni sensibili al costo.
Consumo energetico ed efficienza: Sebbene la fotonica su silicio possa ridurre il consumo energetico per il trasferimento dati a velocità molto elevate, i dispositivi stessi consumano comunque energia – ad esempio i modulatori spesso usano sintonizzazione termica o giunzioni PN che assorbono corrente, e ovviamente i laser consumano energia. C’è un overhead nella conversione dei segnali elettronici in ottici e viceversa. Per risparmiare davvero energia a livello di sistema, questi overhead devono essere inferiori ai risparmi ottenuti eliminando i lunghi collegamenti elettrici. Gli attuali ricetrasmettitori fotonici su silicio sono piuttosto efficienti dal punto di vista energetico (dell’ordine di pochi picojoule per bit per la conversione ottica), ma si punta a scendere ancora, soprattutto se l’I/O ottico viene usato on chip o nei bus di memoria dove l’efficienza deve essere molto elevata. Un approccio promettente è l’uso di materiali elettro-ottici (come LiNbO3 o BTO) che possono modulare la luce con tensioni molto basse (e quindi minor consumo) invece della sintonizzazione termica. Inoltre, integrare sorgenti luminose più efficienti (come i laser a quantum dot) potrebbe ridurre lo spreco di energia dei laser (gli attuali laser DFB spesso disperdono molta energia sotto forma di calore). Quindi, sebbene la fotonica su silicio risolva il problema energetico degli interconnettori su scala macro, su scala micro gli ingegneri stanno ancora ottimizzando il consumo energetico dispositivo per dispositivo. La buona notizia: anche con la tecnologia attuale, l’ottica co-pacchettizzata può ridurre il consumo totale degli interconnettori di circa il 30% rispetto ai tradizionali pluggable laserfocusworld.com, e i miglioramenti futuri probabilmente aumenteranno questi vantaggi.
Progettazione e strumenti di progettazione: Questa è una sfida meno ovvia ma importante: progettare circuiti fotonici è una nuova competenza, e gli EDA (Electronic Design Automation) tools per la fotonica non sono maturi come quelli per l’elettronica. Simulare circuiti ottici, specialmente quelli grandi con molti componenti, può essere complesso. La variabilità nella fabbricazione deve essere considerata in fase di progettazione (potresti aver bisogno di sintonizzatori termici per correggere piccoli errori). C’è bisogno di strumenti di progettazione migliori che possano co-ottimizzare le parti elettroniche e fotoniche del circuito, spesso chiamati EPDA (Electronic Photonic Design Automation). L’ecosistema sta recuperando – aziende come Synopsys, Cadence e Lumerical (Ansys) hanno strumenti per la progettazione fotonica – ma è ancora un campo in evoluzione. Un problema correlato è la mancanza di standard in alcune aree: mentre molte fonderie offrono PDK, ognuna potrebbe avere librerie di componenti e parametri diversi. Questo può rendere i progetti meno portabili rispetto a quelli elettronici. L’industria si sta muovendo verso standard comuni (ad esempio, il formato di scambio layout per circuiti fotonici, o modelli di componenti standardizzati), ma serve ancora lavoro per semplificare il flusso di progettazione. Costruire una pipeline di talenti solida è anche cruciale: servono ingegneri che comprendano sia la progettazione analogica in stile RF/microonde sia la fisica ottica, e sono pochi (anche se molte università ora stanno formando laureati in questa disciplina incrociata).
Limitazioni di prestazione: Anche se la fotonica su silicio migliora drasticamente certi parametri, ha le sue limitazioni fisiche. Perdita ottica nelle guide d’onda, sebbene bassa (~dB/cm), si accumula in circuiti grandi, e curve strette o caratteristiche piccole possono aumentare la perdita. C’è anche la perdita di accoppiamento fibra-chip da minimizzare. La sensibilità termica del silicio (l’indice di rifrazione cambia con la temperatura) significa che molti circuiti fotonici in silicio necessitano di stabilizzazione o calibrazione. Limitazioni di banda possono sorgere nei modulatori o nei rivelatori – ad esempio, i modulatori ad anello in silicio hanno una banda finita e possono essere sensibili alla temperatura, mentre i modulatori Mach-Zehnder richiedono un’attenta progettazione per raggiungere velocità molto elevate senza distorsione. La dispersione cromatica nelle guide d’onda può limitare applicazioni a lunghezze d’onda molto ampie (anche se di solito non è un problema sulle brevi distanze on-chip). Un altro punto sottile: l’integrazione elettronica-fotonica significa che spesso bisogna co-progettare l’elettronica (come amplificatori di pilotaggio, TIA per i rivelatori) con la fotonica. L’interfaccia tra loro può limitare le prestazioni complessive (ad esempio, se un modulatore richiede una certa ampiezza di tensione, serve un driver che possa fornirla rapidamente). Quindi l’ingegneria di sistema è complessa. Inoltre, non tutte le applicazioni giustificano la fotonica – per collegamenti molto brevi e a bassa velocità, l’elettronica può essere ancora più economica e semplice. Quindi sapere dove applicare la fotonica su silicio per il massimo beneficio è di per sé una considerazione.

In sintesi, sebbene nessuna di queste sfide sia insormontabile, nel complesso significano che la fotonica su silicio ha ancora margini di evoluzione. Molte delle menti più brillanti nella fotonica e nell’elettronica stanno affrontando attivamente questi problemi: integrare laser migliori, migliorare il packaging, scalare la produzione ed espandere le capacità di progettazione. I progressi, anche solo negli ultimi anni, sono incoraggianti. Come ha osservato il Prof. Bowers, sfide come l’integrazione di laser III-V nel CMOS, il miglioramento delle rese e dell’aggancio in fibra, e la riduzione dei costi sono tutte affrontate con “progressi… molto rapidi.” nature.com Ogni anno porta miglioramenti, e il divario tra prototipo da laboratorio e produzione di massa si restringe un po’. Vale la pena ricordare che i circuiti integrati elettronici hanno richiesto decenni di sforzi intensi per raggiungere la scala attuale – la fotonica su silicio, in confronto, è in una fase molto più precoce del suo percorso, ma sta recuperando rapidamente.

Aziende e istituzioni leader nel settore

La fotonica su silicio è diventata un impegno globale, con molte aziende (dalle startup ai giganti tecnologici) e istituti di ricerca che spingono il settore in avanti. Secondo le ricerche di mercato, i principali attori nel mercato della fotonica su silicio (al 2025) includono colossi del settore come Cisco, Intel e IBM, insieme a specialisti come NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics e STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Ecco una panoramica di alcuni dei principali contributori:

Intel Corporation (US): Pioniere nella fotonica al silicio, Intel ha investito presto e in modo significativo nella tecnologia. Ha introdotto uno dei primi ricetrasmettitori fotonici al silicio 100G nel 2016 e da allora ha spedito milioni di dispositivi optics.org. Intel utilizza la fotonica al silicio in ricetrasmettitori ottici ad alta velocità e la sta portando verso future CPU server e applicazioni edge. La visione dell’azienda è “abilitare la crescita futura della larghezza di banda dei data center” con la fotonica, passando da 100G a 400G e oltre, e integrare l’ottica con i processori per applicazioni come il 5G e i veicoli autonomi expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. La divisione Silicon Photonics di Intel ha recentemente stretto una partnership con Jabil per la produzione, indicando una maturazione verso la produzione su larga scala optics.org. Intel sta anche ricercando ottiche co-pacchettizzate per switch e detiene partecipazioni in numerose startup fotoniche (come Ayar Labs).
Cisco Systems (US): Cisco, gigante del networking, è entrata nella fotonica al silicio tramite acquisizioni (ad es. acquisendo Luxtera nel 2019) ed è ora uno dei principali fornitori di ricetrasmettitori ottici fotonici al silicio per data center e telecomunicazioni. Cisco utilizza la propria tecnologia fotonica in prodotti che vanno dai moduli pluggabili 100G/400G ai futuri switch ottici co-pacchettizzati. Le soluzioni Cisco beneficiano della progettazione interna di circuiti integrati fotonici che raggiungono alta densità ed efficienza energetica. Sfruttando la fotonica al silicio, Cisco offre ai clienti interconnessioni ad alta velocità con fattori di forma ridotti. Nel 2025, Cisco è uno dei leader di mercato nella spedizione di fotonica al silicio su larga scala expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (US): IBM vanta una lunga storia nella ricerca sulle interconnessioni ottiche. Il suo team Silicon Photonics, con oltre un decennio di R&S, ha sviluppato tecnologia di collegamento ottico ad alta velocità destinata a interconnessioni a livello di scheda e processore expertmarketresearch.com. La ricerca IBM ha prodotto progressi nei modulatori microring al silicio, nella multiplazione di lunghezze d’onda e nel packaging. Sebbene IBM non venda ricetrasmettitori come Intel o Cisco, spesso collabora su prototipi (ad esempio, IBM e Mellanox hanno presentato un’interconnessione ottica per server nel 2015). L’enfasi di IBM è sull’uso della fotonica per risolvere i colli di bottiglia del calcolo (ad es., il processore POWER10 utilizza collegamenti fotonici per la segnalazione off-chip tramite partnership). IBM contribuisce anche agli standard e alla ricerca aperta; il suo lavoro appare spesso in conferenze come OFC e CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (USA): NeoPhotonics (ora parte di Lumentum dal 2022) è specializzata in laser e componenti fotonici per telecomunicazioni e data center. Ha sviluppato laser a luce ultra-pura sintonizzabili e modulatori ad alta velocità. In particolare, NeoPhotonics ha introdotto sottoassiemi ottici coerenti fotonici su silicio (COSA) per comunicazioni a 400G per lunghezza d’onda, e stava ricercando 800G e oltre expertmarketresearch.com. Come parte di Lumentum (un importante attore nel settore ottico), questa competenza sta contribuendo alla prossima generazione di ricetrasmettitori coerenti e pluggable per le telecomunicazioni. L’appartenenza a Lumentum significa che questi prodotti di fotonica su silicio possono essere integrati con il portafoglio fotonico esistente di Lumentum (ad esempio, i loro modulatori e amplificatori in fosfuro d’indio).
Hamamatsu Photonics (Giappone): Leader nei componenti optoelettronici, Hamamatsu produce una vasta gamma di dispositivi fotonici (fotodiodi, fotomoltiplicatori, sensori d’immagine, ecc.). Hamamatsu ha adottato processi al silicio per produrre, ad esempio, array di fotodiodi al silicio e sensori ottici basati su silicio expertmarketresearch.com. Pur non essendo così focalizzata sui ricetrasmettitori ad alta velocità, l’attività di Hamamatsu nella fotonica su silicio è cruciale per la sensoristica e la strumentazione scientifica. Forniscono fotodiodi PIN al silicio, APD e chip sensori ottici che sono fondamentali per ricevitori di comunicazione ottica e rilevatori LiDAR. La loro esperienza in fotonica a basso rumore e alta sensibilità completa il lato delle comunicazioni digitali della fotonica su silicio.
STMicroelectronics (Svizzera/Europa): STMicro è un grande produttore di semiconduttori che ha sviluppato una propria capacità nella fotonica su silicio. L’attenzione di STMicro si è concentrata su soluzioni integrate di imaging e sensing – ad esempio, ha prodotto chip fotonici su silicio per giroscopi a fibra ottica e lavorato su R&S di interconnessioni ottiche in consorzi europei. Le fabbriche avanzate e la capacità MEMS di STMicro la posizionano bene per la fotonica su silicio che richiede integrazione con altri sensori o elettronica expertmarketresearch.com. Paesi come Francia e Italia (dove ST ha grandi operazioni) supportano la fotonica tramite iniziative, e ST è spesso partner in questi progetti. Si vocifera inoltre che fornisca alcuni componenti fotonici su silicio per sistemi industriali e automobilistici.
GlobalFoundries (USA) e TSMC (Taiwan): Questi produttori di chip conto terzi hanno ciascuno avviato offerte di fotonica su silicio. GlobalFoundries ha un noto processo di fotonica su silicio a 45 nm (GF 45CLO) e ha collaborato con startup come Ayar Labs per fabbricare chip di I/O ottico. TSMC è stata più riservata, ma si dice che stia lavorando con grandi aziende tecnologiche per costruire chip fotonici integrati (ad esempio, alcune voci su Apple suggeriscono il coinvolgimento di TSMC nei sensori fotonici). Entrambi sono fondamentali per la produzione su larga scala: avere grandi fonderie coinvolte significa che qualsiasi azienda fabless può ottenere più facilmente prototipi e produzione in volume di chip fotonici. In effetti, il coinvolgimento di fonderie come queste è un forte indicatore che la fotonica su silicio sta diventando mainstream.
Infinera (USA) e Coherent/II-VI (USA): Infinera è un produttore di apparecchiature per telecomunicazioni che fin dall’inizio ha promosso i circuiti integrati fotonici (sebbene su fosfuro d’indio). Da allora si sono adattati a utilizzare anche la fotonica su silicio in alcuni prodotti o per il co-packaging con i loro PIC InP. Coherent (che ha acquisito Finisar e successivamente ha assunto il nome Coherent) è profondamente coinvolta nei componenti ottici; possiedono proprie fabbriche di InP ma sviluppano anche transceiver fotonici su silicio per data center optics.org. Queste aziende portano un’attenzione di livello telecomunicazioni su affidabilità e prestazioni, spingendo la fotonica su silicio a soddisfare i requisiti carrier-class (ad es. moduli 400ZR per collegamenti coerenti su lunghe distanze).
Ayar Labs, Lightmatter e Startup: Un’ondata di startup innovative sta spingendo la fotonica su silicio in nuove aree. Abbiamo parlato di Ayar Labs (I/O ottico per AI/HPC) e Lightmatter (calcolo ottico). Altri includono Lightelligence (un’altra startup di chip AI ottici), Luminous Computing (integrazione di fotonica ed elettronica per l’AI), Celestial AI (networking ottico per cluster di calcolo), OpenLight (una joint venture che offre una piattaforma fotonica aperta con laser integrati) e Rockley Photonics (focalizzata su sensori per la salute, ora per lo più acquisita da Celestial). Queste startup si distinguono per i loro approcci ambiziosi – ad esempio, il core tensoriale fotonico 3D-integrato di Lightmatter o il tentativo di Luminous di costruire un computer fotonico full-stack. Spesso collaborano con grandi aziende (ad esempio, HPE ha collaborato con Ayar Labs per utilizzare interconnessioni ottiche in una fabric di supercomputer nextplatform.com). Il panorama delle startup è vivace e la loro presenza ha spinto gli operatori storici a muoversi più rapidamente. Un osservatore del settore ha notato che insieme ad Ayar, aziende come Lightmatter e Celestial AI “hanno tutte la possibilità di farsi strada mentre la fotonica su silicio fa da ponte tra motori di calcolo e interconnessioni.” nextplatform.com
Istituzioni accademiche e di ricerca: Sul fronte istituzionale, le principali università e i laboratori nazionali sono fondamentali per il progresso della fotonica su silicio. L’Università della California, Santa Barbara (UCSB) sotto la guida del Prof. John Bowers è stata un punto di riferimento, pioniera dei laser ibridi su silicio e dei laser a punti quantici su silicio. MIT, Stanford, Columbia (con il gruppo della Prof.ssa Michal Lipson) e Caltech sono altri centri statunitensi di eccellenza nella ricerca sulla fotonica su silicio, impegnati su tutto, dalla nuova fisica dei modulatori alle architetture di calcolo fotonico. In Europa, IMEC in Belgio gestisce un importante programma di fotonica su silicio e un servizio multi-progetto su wafer (iSiPP), e l’Università di Southampton, la TU Eindhoven, l’EPFL e altri hanno gruppi di ricerca di rilievo. L’istituto AIM Photonics negli Stati Uniti (menzionato sopra) riunisce molte di queste università e aziende per collaborare e offre una capacità nazionale di fonderia. Laboratori governativi come il MIT Lincoln Lab e IMEC hanno persino dimostrato fotonica integrata sofisticata per la difesa (ad esempio, array di fase ottici per LiDAR). Inoltre, collaborazioni e conferenze internazionali (come l’Optical Fiber Conference, ISSCC, gli incontri della IEEE Photonics Society) permettono a queste istituzioni di condividere le scoperte. Il settore beneficia di un sano canale accademia-industria: molti fondatori di startup e leader industriali sono stati formati in questi laboratori di ricerca, e la ricerca accademica continua a spingere i limiti (ad esempio, nuova integrazione di materiali o fotonica quantistica come menzionato).

Tutti questi attori – grandi aziende tecnologiche, produttori specializzati di componenti, startup ambiziose e laboratori di ricerca all’avanguardia – formano un ricco ecosistema che sta collettivamente guidando l’avanzamento della fotonica su silicio. La competizione e la collaborazione tra loro stanno accelerando l’innovazione. Da notare che anche la geopolitica gioca un ruolo: c’è consapevolezza di una corsa tra Stati Uniti, Europa e Cina su chi guiderà le tecnologie fotoniche csis.org, data la sua importanza strategica per le comunicazioni e il calcolo. Questo ha portato a maggiori investimenti pubblici (ad esempio, il PhotonHub dell’UE e le iniziative nazionali cinesi sulla fotonica). Per l’appassionato di tecnologia, il messaggio è che molte persone brillanti e risorse significative a livello globale stanno investendo per far sì che i chip del futuro comunichino con la luce.

Approfondimenti ed esperienze degli esperti

Durante l’ascesa della fotonica su silicio, gli esperti del settore hanno offerto prospettive che aiutano a contestualizzarne l’impatto. Ecco alcuni spunti significativi:

Sul cambiamento di paradigma della Silicon Photonics: “Ho spesso descritto la silicon photonics come qualcosa di più di un semplice miglioramento incrementale — è un cambiamento di paradigma,” afferma René Jonker, dirigente di Soitec, sottolineando che, a differenza degli interconnettori in rame che stanno raggiungendo i loro limiti, i collegamenti ottici offrono un modo sostenibile per gestire la crescente domanda di dati. Sebbene rimangano delle sfide per ridurre i costi e aumentare la scala della produzione, i vantaggi – “maggiore larghezza di banda, latenza ridotta e minore consumo energetico” – rendono la silicon photonics “una parte indispensabile della nostra infrastruttura futura.” laserfocusworld.com
Sul consumo energetico e l’ottica nei data center: Un commento di Laser Focus World del 2025 ha evidenziato l’urgenza nei data center: entro la fine del decennio, i data center potrebbero consumare l’8% dell’elettricità degli Stati Uniti se le tendenze continuano, il che è “insostenibile con gli attuali interconnettori elettrici.” L’autore ha concluso che “gli interconnettori ottici, abilitati dalla silicon photonics, sono l’unica strada scalabile per il futuro.” laserfocusworld.com In altre parole, per evitare una crisi energetica e di banda, passare ai collegamenti ottici non è solo un’opzione – è necessario.
Sulle sfide di integrazione: Il professor John Bowers (UCSB), luminare della fotonica, ha commentato la sfida più difficile: “La sfida principale è l’integrazione dei materiali III–V nel CMOS in silicio… Restano problemi di alta resa, alta affidabilità, riduzione dei costi e connessione in fibra. L’integrazione di elettronica e fotonica insieme è una sfida… Ma i progressi sono molto rapidi.” nature.com Questo sottolinea che, sebbene integrare i laser (materiali III–V) e ottenere rese perfette sia difficile, i leader del settore come Intel stanno facendo progressi costanti e le soluzioni sono all’orizzonte.
Sull’emissione luminosa nel silicio: Nella stessa intervista, Bowers ha dato una descrizione vivace del motivo per cui i laser necessitano di qualcosa di diverso dal silicio: “Il silicio è incredibilmente scarso come emettitore di luce. La sua efficienza quantica interna è circa una parte su un milione, mentre l’efficienza di un III–V a banda diretta è praticamente del 100%. Sapevo fin dall’inizio che avevamo bisogno di un semiconduttore a banda diretta…” nature.com. Questa valutazione schietta spiega perché il suo team ha perseguito fin da subito i laser ibridi (bonding di InP su Si) – un approccio che ha dato i suoi frutti con il laser ibrido in silicio di Intel nel 2007 e oltre.
Raggiungere il server con l’ottica: Il Senior Director of Photonics di Intel, Robert Blum, ha illustrato come l’ottica stia avanzando nei data center: “Quando entri in un data center oggi, vedrai cavi in rame da 100 Gb/s… vanno bene per quattro metri. Ma tutto ciò che va oltre il rack utilizza già l’ottica. Quando aumentiamo a 200 o 400 Gb/s, [la] portata del rame diventa molto più corta e iniziamo a vedere questa tendenza in cui l’ottica arriva fino al server.” tanaka-preciousmetals.com Questa citazione cattura vividamente la transizione in corso: l’ottica sta sostituendo costantemente il rame dal cuore della rete verso i margini.
Sulla crescita del mercato e l’IA: “L’ascesa dell’IA ha stimolato una domanda senza precedenti di ricetrasmettitori ad alte prestazioni… La fotonica al silicio e i PIC sono in prima linea in questa rivoluzione,” osserva Sam Dale, analista tecnologico di IDTechX, sottolineando la capacità della fotonica al silicio di offrire “velocità di 1,6 Tbps e oltre.” optics.org Il suo rapporto prevede che il mercato dei circuiti integrati fotonici potrebbe crescere quasi di dieci volte entro il 2035 (fino a 54 miliardi di dollari), trainato in gran parte dalle esigenze dei data center per l’IA optics.org.
Sul futuro del computing: Gli analisti di The Next Platform prevedono che l’I/O ottico entrerà a breve nei sistemi HPC. Notano che entro il 2026–2027, probabilmente vedremo CPU/GPU mainstream con interfacce ottiche, perché “nel breve termine, non abbiamo scelta.” Con una frase colorita, “Il tempo del rame è finito.” nextplatform.com Questo riassume un sentimento comune nel settore: i collegamenti elettrici non saranno sufficienti per la prossima era del computing, e la fotonica deve prendere il sopravvento per evitare di raggiungere un limite.

Queste intuizioni degli esperti sottolineano sia le promesse che le sfide della fotonica al silicio. C’è un tema ricorrente: la fotonica al silicio è trasformativa – consente un salto prestazionale necessario – ma comporta serie sfide tecnologiche che vengono affrontate rapidamente. Gli esperti evidenziano un mix di ottimismo (il cambio di paradigma, il futuro indispensabile) e realismo (problemi di integrazione, costi e preoccupazioni di scalabilità). Le loro prospettive aiutano il pubblico generale a comprendere perché così tante aziende e ricercatori sono entusiasti della fotonica al silicio, e anche perché ci sono voluti un paio di decenni per far decollare questa tecnologia. Sentirlo dalle voci di chi è in prima linea – che si tratti di un ricercatore veterano o di un product manager – dà il contesto che questo è un campo in cui fisica, ingegneria e forze di mercato si intersecano in modi affascinanti.

Notizie e traguardi recenti

Il panorama della fotonica al silicio è molto dinamico. Ecco alcuni recenti fatti salienti e traguardi (dell’ultimo anno circa) che illustrano il rapido progresso del settore:

Celestial AI acquisisce la proprietà intellettuale di Rockley Photonics (ottobre 2024): Celestial AI, una startup che sviluppa interconnessioni ottiche Photonic Fabric™ per l’IA, ha annunciato di aver acquisito il portafoglio di brevetti di fotonica su silicio di Rockley Photonics per 20 milioni di dollari datacenterdynamics.com. Rockley aveva sviluppato sensori fotonici su silicio avanzati e si era orientata verso i dispositivi indossabili per la salute prima di affrontare la bancarotta. Questo accordo ha dato a Celestial AI oltre 200 brevetti, inclusa tecnologia per modulatori elettro-ottici e commutazione ottica utili nelle applicazioni dei data center datacenterdynamics.com. Si tratta di una significativa operazione di consolidamento, che indica quanto sia diventata preziosa la proprietà intellettuale nella fotonica per il settore IA/data center. Le innovazioni di Rockley (come i laser a banda larga per il sensing) potrebbero trovare nuova vita integrate nelle soluzioni di interconnessione ottica di Celestial.
Finanziamenti importanti per startup – Ayar Labs & Lightmatter (fine 2024): Due startup statunitensi hanno ottenuto importanti round di finanziamento. Ayar Labs ha chiuso un round Series D da 155 milioni di dollari a dicembre 2024, con la partecipazione di leader dell’industria dei semiconduttori (Nvidia, Intel, AMD hanno contribuito insieme ai venture capital) nextplatform.com. Questo round ha portato la valutazione di Ayar oltre 1 miliardo di dollari, segnalando fiducia nella sua tecnologia di I/O ottico in-package che mira a sostituire l’I/O elettrico nei futuri processori. Poche settimane prima, Lightmatter ha raccolto 400 milioni di dollari in Series D (ottobre 2024), raddoppiando i suoi finanziamenti totali e portando la valutazione a 4,4 miliardi di dollari nextplatform.com. Lightmatter sta sviluppando chip di calcolo fotonico e tecnologia di interposer ottico per l’accelerazione IA. Investimenti di questa portata sono degni di nota: mostrano che investitori (e partner strategici) credono che queste startup possano risolvere problemi critici nell’IA e nel computing con la tecnologia ottica. Significa anche che possiamo aspettarci che queste aziende passino dai prototipi ai prodotti; infatti Lightmatter sta già distribuendo sistemi di test e i chiplet ottici di Ayar sono previsti per l’uso pilota nei sistemi HPC.
Intel esternalizza i ricetrasmettitori a Jabil (fine 2023): In un’interessante svolta, Intel alla fine del 2023 ha deciso di trasferire la sua attività di ricetrasmettitori fotonici ad alto volume a Jabil, un partner produttivo optics.org. Dal 2016, Intel aveva spedito oltre 8 milioni di chip ricetrasmettitori fotonici optics.org – questi vengono utilizzati per la connettività 100G/200G nei data center. Affidando la produzione a Jabil (un produttore conto terzi), Intel ha segnalato un cambiamento strategico: si concentrerà sull’integrazione della fotonica con le sue piattaforme principali (come ottica co-packaged e fotonica su processore), lasciando a un partner la gestione del mercato dei ricetrasmettitori ormai commoditizzato. Questa mossa riflette anche la maturazione del settore – ciò che era tecnologia all’avanguardia pochi anni fa (i pluggable 100G) è ora abbastanza routinario da poter essere esternalizzato. Jabil, dal canto suo, sta potenziando la produzione ottica, che potrebbe potenzialmente servire anche altri clienti. La collaborazione tra Intel e Jabil è stata evidenziata dagli analisti come uno sviluppo chiave del settore optics.org, sottolineandola come parte dell’evoluzione dell’ecosistema.
InnoLight presenta modulo da 1,6 Tb/s (fine 2023): Nella corsa verso velocità più elevate, InnoLight, azienda cinese di ricetrasmettitori ottici, ha annunciato di aver realizzato un prototipo di ricetrasmettitore ottico da 1,6 terabit al secondo optics.org. Questo probabilmente coinvolge più lunghezze d’onda (ad es. 16×100G o 8×200G canali) su una piattaforma fotonica su silicio. Raggiungere 1,6 Tb/s in un singolo modulo con un anno di anticipo rispetto ad alcuni concorrenti dimostra la crescente abilità della Cina nella fotonica su silicio. Il modulo di InnoLight potrebbe essere utilizzato per uplink di switch top-of-rack o per collegare sistemi AI. È anche un segnale che i moduli da 3,2 Tb/s (che ad esempio userebbero 8 lunghezze d’onda da 400G ciascuna) non sono lontani – infatti, IDTechX prevede moduli da 3,2 Tb/s entro il 2026 optics.org. Si è trattato di un record da prima pagina che sottolinea l’intensa competizione globale; anche Coherent (USA) e altri stanno lavorando su progetti da 1,6T e 3,2T optics.org.
Progressi del chip quantistico fotonico di PsiQuantum (2024): Sul fronte quantistico, PsiQuantum (che è riservata ma nota per collaborare con GlobalFoundries) ha pubblicato uno studio che delinea un percorso verso un computer quantistico fotonico tollerante alle perdite, e ha annunciato un chip chiamato “Omega” per la loro architettura quantistica fotonica thequantuminsider.com. Sebbene non sia ancora un prodotto commerciale, ciò dimostra che l’hardware per il calcolo quantistico fotonico sta avanzando – con la fotonica su silicio al centro. L’approccio di PsiQuantum richiede l’integrazione di migliaia di sorgenti e rivelatori di singoli fotoni. La novità qui è la validazione della producibilità: un articolo su Nature del 2022 ha dimostrato componenti chiave (sorgenti, filtri, rivelatori) su un singolo chip fotonico in silicio che potrebbe essere scalato nature.com. Questo suggerisce che sono sulla buona strada per raggiungere una pietra miliare tra la metà degli anni 2020 e l’inizio degli anni 2030 per un prototipo di computer quantistico ottico da un milione di qubit (il loro obiettivo a lungo termine). Sviluppi di questo tipo, sebbene di nicchia, sono seguiti con attenzione poiché potrebbero ridefinire il calcolo di fascia alta.
Startup di fotonica al niobato di litio finanziate (2023): Come accennato, due startup che si concentrano sull’integrazione di LiNbO₃ con la fotonica su silicio, HyperLight (USA) e Lightium (Svizzera), hanno raccolto complessivamente 44 milioni di dollari nel 2023 optics.org. La notizia del finanziamento è stata significativa perché evidenzia una tendenza: aggiungere nuovi materiali alla fotonica su silicio per superare i limiti prestazionali. Queste aziende vantano modulatori che possono operare con maggiore linearità e su un’ampia gamma di lunghezze d’onda (dal visibile al medio IR) con perdite molto basse optics.org. L’applicazione immediata potrebbe essere modulatori ultraveloci per le comunicazioni o dispositivi speciali per la fotonica quantistica e RF. Il punto più ampio è che anche la comunità degli investitori sta sostenendo l’innovazione dei materiali nella fotonica, non solo le startup di transceiver più ovvie. È un segno che anche i progressi nella scienza dei materiali (come il TFLN su isolante) possono rapidamente passare a startup e prodotti in questo settore.
Aggiornamenti su standard e consorzi (2024–25): Ci sono stati sviluppi sul fronte della standardizzazione. Il Continuous-Wave WDM MSA (un consorzio che definisce moduli standard di sorgenti luminose per ottica co-pacchettizzata) ha pubblicato le specifiche iniziali per sorgenti laser comuni in grado di alimentare più chip fotonici. Questo è importante per garantire la compatibilità multi-vendor per l’ottica co-pacchettizzata. Inoltre, il consorzio UCIe (per l’interconnessione di chiplet) ha formato un gruppo di lavoro ottico per valutare come standardizzare i collegamenti ottici tra chiplet. Nel frattempo, organizzazioni come COBO (Consortium for On-Board Optics) e CPO Alliance hanno organizzato summit (ad es. all’OFC 2024) per discutere le best practice per l’ottica co-pacchettizzata ansys.com. Tutto ciò per dire che il settore riconosce la necessità di armonizzare le interfacce ed evitare una frammentazione che potrebbe rallentare l’adozione. Notizie recenti dall’IEEE hanno anche indicato progressi sugli standard Ethernet 1.6T e sugli standard di interfaccia ottica correlati che presuppongono l’uso di tecnologie fotoniche su silicio.
Rilasci di prodotti: Sul fronte dei prodotti, stiamo vedendo l’arrivo di hardware reale:
- Moduli pluggabili 800G: Vari fornitori (Intel, Marvell/Inphi, ecc.) hanno iniziato a campionare moduli 800G QSFP-DD e OSFP nel 2024 che utilizzano fotonica su silicio all’interno. È probabile che vengano implementati negli switch e nelle reti del 2025.
- Kit dimostrativi CPO: Aziende come Ranovus e IBM hanno dimostrato kit di sviluppo per ottica co-pacchettizzata – un precursore dei prodotti CPO commerciali. Ad esempio, è stato mostrato funzionante il prototipo di ricerca di uno switch co-pacchettizzato di IBM, e Ranovus dispone di un modulo CPO con 8×100G lunghezze d’onda.
- Prodotti Lidar fotonici su silicio: Innovusion (Cina) e Voyant Photonics (USA) hanno annunciato progressi nei loro LiDAR fotonici su silicio. L’ultimo LiDAR di Innovusion per veicoli utilizza alcuni componenti fotonici su silicio per ottenere FMCW a un costo competitivo. Voyant, una startup nata dalla ricerca della Columbia University, sta effettivamente vendendo un piccolo modulo LiDAR a stato solido basato su fotonica su silicio per l’uso su droni e robot.
- Chiplet I/O ottici: Entro metà 2025, Ayar Labs prevede di avere il suo chiplet I/O ottico TeraPHY e la sorgente laser SuperNova in fase di test iniziale presso i clienti, offrendo un collegamento ottico da 8 Tbps per sistemi HPC. Se il programma sarà rispettato, potrebbe essere uno dei primi impieghi di I/O ottico in un sistema informatico (probabilmente in un laboratorio governativo o in un supercomputer pilota tra il 2025 e il 2026).

Il ritmo delle notizie recenti dipinge il quadro di un settore in rapido progresso su più fronti: dai progressi nella velocità (ottica 1.6T) a grandi mosse strategiche (outsourcing Intel, grandi round di finanziamento) e prime implementazioni di rilievo (motori ottici per l’IA). È un momento entusiasmante, perché questi sviluppi indicano che la fotonica su silicio sta passando da una tecnologia promettente a una realtà commerciale con un impatto crescente su prodotti e settori.

Per un pubblico generale, il punto chiave da trarre da tutte queste notizie è che la fotonica del silicio non è una promessa lontana – sta accadendo ora. Le aziende stanno investendo denaro e risorse, prodotti reali sono già in commercio, e ogni trimestre porta nuovi traguardi che superano i record precedenti. È un settore in rapida evoluzione, e persino i lettori più esperti di tecnologia potrebbero essere sorpresi dalla rapidità con cui sono arrivati concetti come “chiplet ottici” o “moduli da 1,6 terabit”. Le notizie sottolineano anche che si tratta di una corsa globale – con attività significative negli Stati Uniti, in Europa e in Asia – e che coinvolge tutto, dalle startup deep tech alle più grandi aziende di chip e fornitori di rete.

Prospettive future e previsioni

Guardando al futuro, la fotonica del silicio appare estremamente promettente, con il potenziale di ridefinire l’informatica e le comunicazioni nel prossimo decennio. Ecco alcune previsioni e aspettative su ciò che ci aspetta:

Adozione diffusa nell’informatica: Entro la fine degli anni 2020, possiamo aspettarci che la fotonica del silicio diventi una caratteristica standard nei sistemi di calcolo di fascia alta. Come già detto, tra il 2026 e il 2027 dovrebbero emergere le prime CPU, GPU o acceleratori AI con I/O ottico integrato nextplatform.com. Inizialmente, questi potrebbero essere presenti in mercati specializzati (supercomputer, sistemi di trading ad alta frequenza, cluster AI all’avanguardia), ma spianeranno la strada a un’adozione più ampia. Una volta che la tecnologia sarà consolidata e i volumi aumenteranno, l’I/O ottico potrebbe diffondersi anche nei server e dispositivi mainstream negli anni 2030. Immagina server rack in cui ogni CPU ha porte in fibra ottica direttamente sul package, collegate a uno switch ottico top-of-rack; questo potrebbe diventare la norma. Il collo di bottiglia della memoria potrebbe essere affrontato anche tramite collegamenti ottici – ad esempio, collegando i moduli di memoria otticamente ai processori per consentire una maggiore larghezza di banda a distanza (alcuni ricercatori parlano di “disaggregazione ottica della memoria” per grandi pool di memoria condivisa). In sintesi, il data center del futuro (e di conseguenza i servizi cloud del futuro) sarà probabilmente costruito su una rete di interconnessioni ottiche a ogni livello, resa possibile dalla fotonica del silicio.
Networking Terabit per Tutti: La capacità dei collegamenti di rete continuerà a fare salti in avanti. Stiamo parlando di 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, persino 6,4 Tb/s di ricetrasmettitori ottici in un singolo modulo entro i primi anni 2030. Queste velocità sono sbalorditive: un collegamento da 3,2 Tb/s potrebbe trasferire un film in 4K in una frazione di millisecondo. Anche se queste velocità saranno utilizzate nei backbone dei data center e nelle reti di telecomunicazione, indirettamente ne beneficeranno i consumatori (internet più veloce, servizi cloud più robusti). Entro il 2035, gli analisti prevedono che il mercato dei circuiti integrati fotonici raggiungerà oltre 50 miliardi di dollari, grazie soprattutto a questi ricetrasmettitori per l’IA e i data center optics.org. Potremmo vedere 800G e 1.6T diventare i nuovi 100G, cioè i collegamenti di lavoro principali nelle reti. E con l’aumento dei volumi, il costo per bit diminuirà, rendendo la connettività ad alta velocità più economica e diffusa. È plausibile che anche i dispositivi consumer (come ad esempio un visore VR che necessita di un collegamento a larghezza di banda molto elevata verso un PC o una console) possano utilizzare un cavo USB ottico o Thunderbolt ottico per trasportare decine o centinaia di gigabit senza latenza o perdita.
Rivoluzionare le Telecomunicazioni: Nelle telecomunicazioni, la fotonica su silicio aiuterà a realizzare reti completamente ottiche con efficienza molto maggiore. La comunicazione ottica coerente con fotonica integrata probabilmente scalerà oltre 1 Tb/s per lunghezza d’onda (con costellazioni avanzate e forse DSP di ricetrasmettitori integrati). Questo potrebbe rendere economici i canali ottici multi-terabit, riducendo il numero di laser/fibre necessari. La fotonica su silicio renderà anche multiplexer ottici riconfigurabili add-drop (ROADMs) e altri apparati di rete più compatti ed efficienti dal punto di vista energetico, facilitando così il lancio di reti 5G/6G a maggiore capacità e una migliore infrastruttura in fibra fino a casa. Un’area specifica da tenere d’occhio è quella dei laser integrati per TV via cavo / accesso in fibra: laser sintonizzabili economici su silicio potrebbero permettere, ad esempio, a ogni casa di avere un collegamento in fibra simmetrico da 100G. Integrando le funzioni ottiche, gli operatori di telecomunicazioni possono semplificare le centrali e le testate di rete. Quindi l’effetto netto sarà servizi internet ancora più veloci e affidabili a costi potenzialmente inferiori, alimentati dietro le quinte da chip fotonici su silicio.
AI Computing e Motori Ottici: Nel campo dell’IA, se aziende come Lightmatter e Lightelligence avranno successo, potremmo assistere ai primi coprocessori ottici nei data center. Questi accelererebbero le moltiplicazioni di matrici o l’analisi di grafi usando la luce, offrendo potenzialmente salti nelle prestazioni per watt. È concepibile che entro 5 anni alcuni data center avranno rack di acceleratori AI ottici accanto alle GPU, gestendo compiti specializzati in modo estremamente rapido (ad esempio, inferenza ultra-veloce per servizi in tempo reale). Anche se i computer completamente ottici rimarranno in parte limitati, l’approccio ibrido elettro-ottico (elettronica per il controllo logico, fotonica per il trasferimento massivo di dati e operazioni di moltiplica-accumula) potrebbe diventare una strategia chiave per sostenere la scalabilità delle prestazioni dell’IA. Riducendo calore e consumo, la fotonica può aiutare a mantenere sostenibile l’addestramento dell’IA man mano che i modelli crescono fino a trilioni di parametri. In breve, la fotonica su silicio potrebbe essere l’ingrediente segreto che permette il prossimo aumento di 1000× nella dimensione dei modelli IA/dati di addestramento senza fondere la rete elettrica.
Impatto sulla tecnologia di consumo: Sebbene gran parte della fotonica su silicio sia attualmente impiegata nei grandi sistemi (data center, reti), alla fine si diffonderà anche nei dispositivi di consumo. Un candidato ovvio sono i visori AR/VR (dove è necessario trasmettere enormi quantità di dati a display e fotocamere minuscoli – gli interconnettori ottici potrebbero essere d’aiuto). Un altro esempio sono i LiDAR o sensori di profondità per il consumatore – in futuro smartphone o dispositivi indossabili potrebbero avere minuscoli sensori fotonici su silicio per il monitoraggio della salute (come puntava a fare Rockley Photonics) o per la scansione 3D dell’ambiente. Mobileye di Intel ha già indicato che il suo LiDAR fotonico su silicio sarà presente nelle auto, quindi entro la fine degli anni 2020, la tua nuova auto potrebbe avere un chip fotonico integrato che guida silenziosamente i suoi sensori di guida autonoma tanaka-preciousmetals.com. Col tempo, con la riduzione dei costi, più sensori di questo tipo potrebbero apparire nei dispositivi di uso quotidiano (immagina smartwatch che utilizzano un sensore fotonico su silicio per monitorare in modo non invasivo il glucosio o altri parametri ematici tramite spettroscopia ottica direttamente dal polso – ci sono aziende che stanno effettivamente lavorando su questo concetto). Anche nell’audio/video di fascia alta, i chip ottici potrebbero migliorare le fotocamere (LiDAR per la messa a fuoco o la mappatura 3D in fotografia) o abilitare display olografici modulando la luce su scala microscopica (un po’ speculativo, ma non impossibile man mano che i modulatori spaziali di luce su silicio migliorano). Quindi, tra un decennio, i consumatori potrebbero utilizzare la fotonica su silicio nei loro dispositivi senza nemmeno rendersene conto, proprio come oggi usiamo ovunque sensori MEMS senza pensarci.
Fotonica nel regno quantistico: Se guardiamo ancora più avanti nel futuro, le tecnologie fotoniche quantistiche potrebbero maturare. Se PsiQuantum o altri avranno successo, potremmo avere un computer quantistico fotonico che supera i supercomputer classici per determinati compiti – con forse milioni di fotoni entangled processati su chip. Sarebbe un risultato monumentale, probabilmente trasformativo quanto i primi computer elettronici. Anche se ciò potrebbe avvenire dopo il 2030, i progressi intermedi potrebbero portare a simulatori quantistici o sistemi di comunicazione quantistica in rete utilizzando la fotonica su silicio. Ad esempio, collegamenti di comunicazione quantistica sicura (reti QKD) potrebbero essere implementati su scala cittadina utilizzando trasmettitori QKD fotonici su silicio standardizzati nei data center. C’è anche il potenziale per sensori quantistici su chip (come giroscopi ottici con sensibilità a livello quantistico) da utilizzare nella navigazione o nella scienza.
Ricerca continua e nuovi orizzonti: Il campo della fotonica su silicio continuerà a evolversi. I ricercatori stanno già esplorando la integrazione 3D – impilando chip fotonici con quelli elettronici per un accoppiamento ancora più stretto (alcuni stanno studiando micro-bump o tecniche di bonding per posizionare un interposer fotonico sotto una CPU, ad esempio). Si parla anche di networking ottico su chip (ONoC), dove invece o in aggiunta alle reti elettriche on-chip, i processori usano la luce per comunicare tra i core. Se un giorno le CPU multi-core utilizzeranno reti ottiche interne, si potrebbero eliminare i colli di bottiglia di banda all’interno del chip (questo è un po’ più lontano nel tempo, ma concettualmente già dimostrato in laboratorio). Anche la nano-fotonica potrebbe entrare in gioco: componenti ottici plasmonici o su scala nanometrica che operano a velocità molto elevate o su superfici estremamente ridotte, potenzialmente integrati con la fotonica su silicio per determinati compiti (come modulatori ultra-compatti). E chissà, forse un giorno qualcuno riuscirà a raggiungere il sacro Graal di un laser su silicio tramite qualche ingegnoso trucco sui materiali – il che semplificherebbe davvero l’integrazione fotonica.
Prospettive di Mercato e Settore: Dal punto di vista economico, è probabile che assisteremo al boom del mercato della fotonica su silicio. Secondo IDTechX, entro il 2035 si prevede un valore di mercato di circa 54 miliardi di dollari optics.org. Da notare che, sebbene le comunicazioni dati rappresenteranno la fetta maggiore, si stima che circa 11 miliardi di dollari potrebbero provenire da applicazioni non legate ai dati (telecomunicazioni, lidar, sensori, quantistica, ecc.) optics.org. Ciò significa che i benefici della tecnologia si diffonderanno in molti settori. Potremmo anche assistere a importanti scossoni o partnership nel settore: ad esempio, un gigante tecnologico potrebbe acquisire una delle startup unicorno della fotonica (immaginate Nvidia che acquista Ayar Labs o Lightmatter per assicurarsi un vantaggio nel calcolo ottico)? È possibile, man mano che la posta in gioco si alza. Inoltre, la competizione internazionale potrebbe intensificarsi – potremmo vedere investimenti significativi da parte dei governi per garantire la leadership (similmente a quanto accade per l’industria dei semiconduttori, considerata strategica). La fotonica su silicio potrebbe diventare una parte chiave delle strategie tecnologiche nazionali, alimentando ulteriormente i finanziamenti per R&S e le infrastrutture.

In senso più ampio, se facciamo un passo indietro, il futuro con la fotonica su silicio è uno in cui i confini tra calcolo ed elaborazione dati si confondono. La distanza diventa meno limitante – i dati potrebbero viaggiare all’interno di un chip o tra città con la stessa facilità, su fili ottici. Questo potrebbe abilitare architetture come il calcolo distribuito, dove la posizione fisica delle risorse conta poco perché i collegamenti ottici rendono la latenza bassa e la banda larga elevata. Potremmo vedere data center veramente disaggregati, dove calcolo, storage e memoria sono collegati otticamente come mattoncini LEGO. I guadagni in efficienza energetica della fotonica potrebbero anche contribuire a un’ICT più verde, importante dato che la fame energetica delle infrastrutture digitali cresce.

Per citare le parole di un veterano del settore, “il percorso per scalare la fotonica su silicio è tanto entusiasmante quanto impegnativo.” laserfocusworld.com I prossimi anni avranno senza dubbio degli ostacoli, ma c’è una determinazione collettiva tra accademia e industria per superarli. Attraverso collaborazione e innovazione – allineando scienza dei materiali, ingegneria dei semiconduttori e fotonica – gli esperti sono fiduciosi che affronteremo queste sfide e sbloccheremo il pieno potenziale della fotonica su silicio laserfocusworld.com. Le prospettive future sono che questa tecnologia passerà dalla periferia (collegando i nostri dispositivi o potenziando sistemi specializzati) al vero e proprio cuore dell’informatica e della connettività. Stiamo essenzialmente assistendo all’alba di una nuova era – una in cui la luce, e non solo gli elettroni, trasporta il flusso vitale dell’informazione attraverso i dispositivi e le reti che sostengono la vita moderna. E questo è davvero un cambiamento rivoluzionario che si dispiegherà nel prossimo decennio e oltre.

Fonti: Definizioni e vantaggi della fotonica del silicio ansys.com ansys.com; applicazioni nel sensing, LiDAR, quantistica ansys.com ansys.com; tendenze nei data center e nell’IA laserfocusworld.com, optics.org; citazioni di esperti e approfondimenti laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; leader del settore expertmarketresearch.com; notizie recenti e investimenti datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; proiezioni future optics.org

The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers

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Rivoluzione della Fotonica al Silicio: la Tecnologia alla Velocità della Luce che Trasforma l’IA, i Data Center e Altro Ancora

Cos’è la fotonica su silicio e come funziona?

Applicazioni chiave della fotonica in silicio