A gigante global de fabricação de chips TSMC (TSM.US) está apostando fortemente em chips fotônicos de silício, a próxima geração de tecnologia de ponta na fabricação de chips, para estimular o crescimento do desempenho e se esforçar para tornar os aplicativos generativos de inteligência artificial, como o ChatGPT, mais poderosos. A fotônica de silício é um campo tecnológico emergente que combina chips de silício com tecnologia óptica.
A TSMC é a maior fundição de chips terceirizada do mundo e atualmente é capaz de produzir os chips de inteligência artificial (IA) mais avançados do mercado, incluindo chips Nvidia A100/H100. O executivo da TSMC, Douglas Yu, disse que a empresa está atualmente procurando melhorar ainda mais o desempenho dos chips de IA.
"Se pudermos fornecer um bom sistema integrado de fotônica de silício... podemos resolver as principais questões de eficiência energética e poder computacional (desempenho) da inteligência artificial", disse Douglas Yu em um fórum antes da abertura da Expo da Indústria de Semicondutores de Taiwan na China, em 5 de setembro.
Yu disse que o motivador para um sistema fotônico de silício melhor e mais integrado é o imenso poder de computação necessário para executar grandes modelos de linguagem (LLMs) – a tecnologia que sustenta os chatbots de IA (como ChatGPT e Google Bard) e outras aplicações de computação de inteligência artificial.
De acordo com relatos da mídia, a TSMC formou uma equipe de pesquisa e desenvolvimento de cerca de 200 pessoas para direcionar as próximas oportunidades de negócios de chips fotônicos de silício de ultra-alta velocidade no próximo ano. A empresa não está apenas promovendo ativamente a tecnologia de chips fotônicos de silício, mas também cooperando com grandes clientes como Broadcom e Nvidia para desenvolver conjuntamente cenários de aplicação centrados nesta tecnologia. Segundo relatos da mídia, esta cooperação visa produzir a próxima geração de chips fotônicos de silício. Os processos relevantes podem abranger 45nm a 7nm, e espera-se que os terminais de aplicação comecem já no segundo semestre de 2024.
A abordagem da Lei de Moore ao limite fez com que o aprimoramento do desempenho dos chips eletrônicos tradicionais diminuísse em grande parte. Os chips fotônicos de silício fornecem uma solução de aprimoramento de desempenho baseada na tecnologia de luz, que acelera a expansão do desempenho do chip, apesar das limitações da tecnologia de processo nanométrico.
À medida que a inovação e o desenvolvimento no campo global de chips entram na "Era Pós-Moore", as CPUs, que têm sido a principal força na promoção do desenvolvimento da sociedade humana, não são mais capazes de alcançar avanços rápidos no nível "amplo nm" em menos de 5 anos, como 22nm-10nm. As descobertas subsequentes em nível nm enfrentam muitos obstáculos, como custos de fabricação extremamente altos e dificuldades técnicas de tunelamento quântico.
No entanto, com o advento da era da IA, isso significa que a demanda por poder computacional global está experimentando um crescimento explosivo, e a demanda por chips de desempenho extremamente alto só aumentará. Isso também tornou os chips fotônicos de silício, que combinam tecnologia óptica e circuitos integrados baseados em silício, cada vez mais importantes no campo da fabricação de chips.
A tecnologia fotônica de silício é uma tecnologia que integra componentes ópticos, como dispositivos a laser, com circuitos integrados baseados em silício para obter transmissão de dados em alta velocidade, distâncias de transmissão mais longas e baixo consumo de energia através da luz em vez de sinais elétricos. Além disso, fornece menor latência.
A fotônica do silício tornou-se uma área de investimento intensivo na indústria de fabricação de chips, com muitas empresas de tecnologia de olho em seus usos potenciais, desde data centers, supercomputadores e equipamentos de rede até carros autônomos sem motorista e sistemas de radar de defesa. A tecnologia fotônica de silício é atualmente usada em áreas como comunicações ópticas e detecção óptica, com foco na transmissão, processamento e controle de sinais ópticos; aplicações típicas incluem interconexão de data centers, computação de alto desempenho, comunicações de fibra óptica, etc.
Portanto, os chips fotônicos de silício têm um potencial considerável em cenários de aplicações de alta largura de banda e baixo consumo de energia, como comunicações de dados de alta velocidade e interconexões de data centers. À medida que aumenta a taxa de penetração dos serviços de computação em nuvem baseados na tecnologia de IA e nas aplicações de IA generativas ChatGPT, a procura por picos de poder de computação e os chips fotónicos de silício podem desempenhar um papel importante nestes campos.
Gigantes da tecnologia como Intel, Cisco e IBM vêm desenvolvendo há muito tempo suas próprias soluções e sistemas fotônicos de silício.
A Nvidia, atualmente a empresa de chips mais valiosa do mundo, possui atualmente o maior mercado de chips que alimentam aceleradores para servidores de data center para desenvolver/executar grandes modelos de linguagem. A empresa norte-americana adquiriu anteriormente o fornecedor de tecnologia de interconexão de fibra óptica Mellanox.
Os dados de previsão da Associação Internacional da Indústria de Semicondutores (SEMI) mostram que, até 2030, o mercado global de semicondutores fotônicos de silício deverá atingir US$ 7,86 bilhões, com uma taxa composta de crescimento anual prevista para atingir 25,7%, um aumento significativo de apenas US$ 1,26 bilhão em 2022.
Os dados de previsão da Mordor Intelligence, uma conhecida instituição de pesquisa, são relativamente conservadores. O tamanho do mercado de fotônica de silício deverá ser de US$ 1,49 bilhão em 2023. A agência prevê que atingirá US$ 4,54 bilhões até 2028, com uma taxa composta de crescimento anual de 24,98% durante o período de previsão (2023-2028).
A agência observou que a fotônica do silício é um ramo em desenvolvimento da fotônica que apresenta vantagens distintas sobre os condutores elétricos em produtos semicondutores usados em sistemas de transmissão de alta velocidade. A tecnologia promete aumentar as velocidades de transmissão para 100 Gbps, e empresas de tecnologia como IBM, Intel e Kothura usaram a tecnologia para alcançar avanços. Além disso, a tecnologia revolucionou a indústria de semicondutores, prometendo transmissão e processamento de dados em altíssima velocidade.
O executivo da TSMC, Douglas Yu, disse que a gigante da fabricação de chips está estudando tecnologia de fabricação de chips que usa sua tecnologia avançada de empilhamento e empacotamento de chips desenvolvida exclusivamente para construir sistemas fotônicos de silício integrados. O empacotamento avançado de chips tornou-se uma área importante de grande interesse para vários dos maiores fabricantes de chips do mundo - Intel, Samsung e TSMC, porque tecnologias avançadas de empacotamento de chips, como 2,5D/3D, os estão ajudando a criar chips mais poderosos.
Mas Yu também disse que tal sistema integrado, que combina e conecta fotônica de silício e diferentes tipos de chips, e usa sua própria tecnologia avançada de empacotamento e empilhamento de chips, ainda está em desenvolvimento e produção experimental, e ainda não entrou na produção em massa em larga escala.
Tien Wu, CEO da ASE Semiconductor (ASX.US), um dos maiores fornecedores mundiais de serviços de teste e embalagem de chips, tem uma visão semelhante. Ele disse que um novo método de empacotamento e integração da tecnologia fotônica de silício desempenhará um papel vital na solução de um dos principais gargalos do sistema de potência computacional da próxima geração.
As atuais tecnologias de embalagem avançada de fotônica de silício incluem o seguinte: embalagem de integração vertical, óptica co-embalada (CPO), embalagem de fixação de fibra, embalagem baseada em guia de onda e embalagem de substrato de vidro.
Entre eles, a tecnologia CPO é uma área de tecnologia de embalagem na qual os fabricantes globais de chips se concentram. Este é um método altamente integrado de empacotamento conjunto de componentes ópticos e eletrônicos no mesmo pacote. Isto ajuda a reduzir a distância entre a óptica e a electrónica, melhorando a eficiência energética e o desempenho das interconexões dos centros de dados. Analistas da indústria disseram que, à medida que gigantes de chips como TSMC, Intel, NVIDIA e Broadcom desenvolveram sucessivamente chips fotônicos de silício e a crucial tecnologia óptica co-packaged (CPO), espera-se que o mercado de CPO experimente um crescimento explosivo já em 2024.
Um relatório de pesquisa divulgado recentemente pela Sphericalinsights, uma conhecida instituição de pesquisa, mostra que o mercado global de óptica co-embalada deverá crescer a uma taxa composta de crescimento anual de 68,9% de 2022 a 2032. O mercado global de óptica co-embalada deverá atingir US$ 2,84 bilhões até 2032. A agência estima que o mercado em 2022 será de apenas US$ 15 milhões.
A Sphericalinsights apontou que as plataformas de chips de silício são amplamente consideradas na indústria como a plataforma de integração fotônica de silício em grande escala mais promissora, enquanto a óptica co-embalada é amplamente considerada ideal para potenciais interconexões de data centers. As ópticas co-packaged (CPOs) ou ópticas in-package (IPO) são combinações híbridas complexas de dispositivos ópticos e dispositivos baseados em silício em uma única plataforma de empacotamento, com o objetivo de resolver problemas de largura de banda e consumo de energia da próxima geração.
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