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TSMC punta sui chip ottici per accelerare l'AI e consumare meno
TSMC ha dettagliato di recente i progressi della propria piattaforma per la fotonica del silicio, progettata per spostare enormi quantità di dati tra acceleratori AI, memoria e apparati di rete usando segnali ottici. La crescita dei modelli e dei cluster di calcolo sta infatti portando le connessioni elettriche in rame verso limiti sempre più evidenti in termini di banda, distanza e consumo energetico.
Il fulcro della strategia è COUPE, acronimo di Compact Universal Photonics Engine. La piattaforma sfrutta la tecnologia SoIC e tecniche di bonding rame-rame e hybrid bonding per collegare direttamente, a livello di wafer, i circuiti elettronici EIC ai circuiti fotonici PIC. Questi ultimi comprendono i componenti necessari alla trasmissione ottica, incluso un modulatore microring da 200G caratterizzato da dimensioni contenute e alta densità.
Rispetto alle tradizionali connessioni basate su microbump, COUPE potrebbe ottenere il 40% di consumi in meno mantenendo la stessa velocità, oppure raggiungere il 170% di velocità in più a parità di potenza. La scelta tra i due profili consentirebbe ai progettisti di privilegiare l'efficienza energetica oppure la banda, a seconda del tipo di acceleratore e dell'architettura del sistema.
La roadmap prevede inoltre una progressiva riduzione dell'energia richiesta per trasferire ogni bit. Dai valori superiori a 30 pJ/bit associati al packaging elettrico in rame si dovrebbe scendere sotto 5 pJ/bit con dispositivi di co-packaged optics montati sul substrato, fino a meno di 2 pJ/bit quando l'interfaccia ottica verrà trasferita direttamente sull'interposer.
TSMC ha sviluppato anche un'architettura Broadband Optical Engine che integra COUPE, il collegamento ottico COI e l'unità iFAU per le fibre. Il sistema è pensato per il packaging 2,5D CoWoS e impiega un accoppiamento ottico verticale, meno sensibile ai problemi di allineamento e alla deformazione dei chip rispetto alle soluzioni con connessione sul bordo. La capacità di trasformare questi processi in volumi industriali accompagna la più ampia strategia di TSMC, già evidente nell'espansione delle fabbriche a 2 nm.
Per verificare la piattaforma, l'azienda ha eseguito misurazioni ottiche su un intero wafer da 300 mm, confrontando i risultati con simulazioni e modelli. L'analisi ha mostrato quanto larghezza delle guide d'onda, profondità di incisione, profilo delle pareti, rugosità e precisione dell'allineamento possano modificare le perdite ottiche e la qualità del segnale. Il monitoraggio durante la produzione sarà quindi essenziale per ottenere prestazioni uniformi su larga scala.
Secondo le previsioni dell'azienda, la fotonica del silicio potrebbe rappresentare oltre il 50% del mercato nel 2027, mentre la produzione di massa dei sistemi CPO dovrebbe iniziare nella seconda metà dell'anno. Le vendite di ricetrasmettitori ottici sono cresciute del 25% nel 2025 e potrebbero aumentare di un ulteriore 50% nel 2026: una dinamica alimentata dalla trasformazione del data center in un'unica, gigantesca unità di calcolo AI.
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