La fotonica si sta affermando come una tecnologia trasformativa, capace di offrire larghezza di banda, efficienza energetica e scalabilità senza precedenti a diversi livelli dell’architettura dei data center. In questo percorso evolutivo, i chip fotonici sono destinati a migliorare il modo in cui vengono elaborati i dati, rendendo i processi più rapidi e sostenibili rispetto ai chip elettronici digitali.
«Quello che abbiamo visto nel corso di questi anni è che l’ottica sta entrando sempre di più nel mondo delle telecomunicazioni a media, corta e cortissima distanza da applicazioni che solo vent’anni fa erano limitate in prevalenza alle trasmissioni a lunga distanza. Oggi la maggior parte delle interconnessioni ad alta velocità tra rack e, sempre più spesso, tra server nei data center avviene tramite collegamenti ottici», afferma Francesco Morichetti, professore al Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano, dov’è responsabile del Laboratorio di Dispositivi Fotonici. Il prossimo passo «è portare a livello ottico anche le comunicazioni all’interno dei server, per cui c’è una penetrazione sempre maggiore dell’ottica in ambiti che prima erano essenzialmente elettronici».
Dagli elettroni ai fotoni
I chip fotonici sono dispositivi che manipolano segnali luminosi (fotoni) anziché elettrici (elettroni). Sono assimilabili ai chip elettronici per molti aspetti, ma operano su segnali ottici, con funzionalità di trasmissione, ricezione, trattamento e commutazione su reti ottiche.
Il principale ambito di applicazione è rappresentato dalla componentistica per le comunicazioni su fibra ottica, alla base dell’infrastruttura Internet. L’ottica sta penetrando sempre più anche nelle comunicazioni a media, corta e cortissima distanza, come quelle interne ai data center, dove le interconnessioni tra server e tra rack fanno sempre più ricorso alla fibra ottica. Il passo successivo consiste nel portare la fotonica anche nelle comunicazioni all’interno dei server e tra i chip.
«Il motivo di questo passaggio è che, aumentando i data rate e le capacità computazionali, diventa sempre più costoso trasmettere dati anche su distanze molto brevi, dell’ordine di pochi centimetri. Per questo l’ottica sta penetrando sempre più in questi ambiti, caratterizzati da capacità trasmissive elevatissime, di qualche centinaio di Gbit/s per singola linea trasmissiva (lane)», spiega Morichetti (nella foto), che da 25 anni opera nel campo della fotonica integrata.
Il campo d’azione dei chip fotonici: dalla trasmissione all’elaborazione dati
Resta da comprendere quale sia il reale campo applicativo dei chip fotonici.
«Esiste tutta una serie di operazioni che possono essere svolte mediante l’ottica in modo molto efficiente, mentre altre continuano a essere più adatte all’elettronica. Se prendiamo un sistema di intelligenza artificiale, ciò che viene eseguito a livello computazionale da una rete neurale è costituito, per l’80-90%, da operazioni lineari, come la moltiplicazione matrice-vettore. Gran parte del calcolo alla base dell’AI si riconduce matematicamente a questa classe di operazioni. Ed esse possono essere svolte in modo particolarmente efficiente tramite chip fotonici.»
In questi dispositivi, le interferenze tra fasci luminosi consentono di implementare matematicamente somme e prodotti in modo estremamente efficiente. Il tempo di elaborazione è essenzialmente dato dal tempo di propagazione della luce all’interno del dispositivo, pari a frazioni di nanosecondi o anche meno. Questo consente di eseguire queste operazioni con throughput molto elevato e un consumo energetico ridotto rispetto ai processori elettronici digitali.
Perché l’AI guarda ai chip fotonici
Nei sistemi di intelligenza artificiale distribuiti le metriche fondamentali sono la larghezza di banda, la latenza e il consumo energetico associati al trasferimento dei dati tra unità di calcolo (GPU) e memorie.
Portando la fotonica sempre più vicino alle unità di elaborazione è possibile ridurre le distanze percorse dai dati in formato elettronico e abbattere il consumo energetico necessario al loro trasferimento, rispondendo così alle crescenti esigenze di scalabilità dei sistemi AI.
Oltre alla trasmissione dei dati, si prospetta inoltre l’impiego di moduli ottici per svolgere parte dell’elaborazione lineare tipica delle reti neurali. Questi acceleratori ottici sono oggi oggetto di intensa ricerca e sviluppo e sono pensati per affiancare, non sostituire GPU e CPU, nell’esecuzione di specifiche operazioni matematiche, alleggerendo il carico dell’elettronica digitale.
Fotonica ed elettronica, un futuro sempre più complementare
Con l’avvento della fotonica, l’elettronica è destinata a scomparire? Morichetti lo esclude:
«Nessuno oggi prevede una completa sostituzione dell’elettronica digitale con quella fotonica. È invece realistico e conveniente puntare su una forte complementarietà tra le due tecnologie».
Quanto ai data center, i chip fotonici sono già una realtà. Sono infatti impiegati nella generazione, modulazione e rivelazione della luce. I transceiver ottici installati nei server convertono continuamente i segnali elettrici in segnali ottici e viceversa, fungendo da ponte tra il mondo elettronico e quello fotonico.
In prospettiva, un numero crescente di funzioni oggi svolte dall’elettronica potrà essere implementato mediante circuiti fotonici.
Le sfide ancora aperte
Quali sono gli ostacoli che ancora limitano lo sviluppo dei chip fotonici?
Sebbene molte delle funzionalità siano già state dimostrate, «la fotonica integrata parte con circa cinquant’anni di ritardo rispetto all’elettronica». La principale sfida consiste nel passare da circuiti con poche decine di elementi funzionali ad architetture fotoniche più complesse, garantendo robustezza progettuale, maturità dei processi produttivi e affidabilità operativa.
Con l’aumento della complessità dei circuiti ottici diventa inoltre indispensabile un layer di controllo elettronico dedicato alla calibrazione, alla stabilità termica, alla riconfigurazione e alla gestione del funzionamento in tempo reale.
Su questo fronte è impegnato anche il gruppo di ricerca del Politecnico di Milano coordinato da Morichetti.
«Oggi le tecnologie fotoniche permettono di realizzare chip che integrano centinaia o persino migliaia di elementi ottici funzionali. Tutti questi elementi devono essere supervisionati e controllati in tempo reale. Per questo sono stati avviati progetti nei quali il nostro team sviluppa il layer di controllo necessario a garantirne un funzionamento affidabile».
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