Il Giappone compete per “l’era dei chip ottici”

Riassunto:

La prossima competizione in termini di capacità per la potenza di calcolo dell'intelligenza artificiale si estende dalle GPU ai chip fotonici in silicio. La fonderia di wafer Tower Semiconductor sta espandendo in modo aggressivo la propria capacità di produzione di fotonica di silicio in Giappone. Il CEO di Tower Russell Ellwanger ha recentemente affermato che i data center AI stanno guidando la rapida crescita della domanda di chip fotonici in silicio e che l'azienda deve espandere la capacità produttiva il prima possibile. Il Giappone diventerà una delle basi produttive di semiconduttori per comunicazioni ottiche più importanti del mondo.

Secondo il piano precedentemente annunciato da Tower, la società investirà più di 600 miliardi di yen, ovvero circa 4 miliardi di dollari, in Giappone, concentrandosi sull'espansione delle sue capacità di fotonica al silicio da 300 mm, silicio-germanio e packaging ottico avanzato. Tra questi, il governo giapponese prevede di fornire fino a circa 160 miliardi di yen e circa 1 miliardo di dollari di sostegno.

Per Tower, questo non è solo un normale round di favolosa espansione, ma anche una scommessa a lungo termine nell'era dei data center AI, dei moduli ottici 800G/1.6T, NPO e CPO.

1. L'intelligenza artificiale spinge la fotonica del silicio in un ciclo di espansione della produzione

Perché Tower deve espandere la produzione adesso?

C'è solo una ragione fondamentale: è necessario trasmettere sempre più dati tra i server AI.

Quando il cluster AI si espande da migliaia di GPU a decine di migliaia o addirittura centinaia di migliaia di GPU, ciò che realmente limita la scala della potenza di calcolo non è più solo la GPU stessa, ma anche il modo in cui scambiare dati ad alta velocità tra GPU. Le tradizionali interconnessioni in rame si trovano ad affrontare una pressione crescente in termini di distanza, larghezza di banda, integrità del segnale e consumo energetico, e le interconnessioni ottiche stanno quindi iniziando ad avvicinarsi a server e chip.

Il valore della tecnologia fotonica del silicio è quello di utilizzare processi maturi del silicio per produrre dispositivi fotonici come modulatori, fotorilevatori e guide d'onda e di collaborare con chip elettronici per consentire la trasmissione di dati più ad alta velocità attraverso segnali ottici.

Ecco perché, dopo l'800G, i moduli ottici 1.6T, la fotonica del silicio, NPO e CPO stanno diventando le parole chiave principali della catena industriale dei data center IA.

Il CEO di Tower, Ellwanger, ha affermato che l'attuale domanda del mercato di chip fotonici in silicio è molto elevata e che l'azienda deve aumentare la capacità produttiva il prima possibile.

△Russell Ellwanger, CEO di Tower Semiconductor

Le informazioni divulgate da Tower mostrano che la sua attività nel settore della fotonica del silicio è entrata in una fase di rapida crescita. L’azienda non solo si prefigge ordini futuri, ma inizia anche a pianificare in anticipo la capacità produttiva per il 2027 e addirittura per il 2028.

In altre parole, ciò per cui Tower ora compete non sono gli ordini di moduli ottici di oggi, ma l'ingresso della produzione nell'infrastruttura di interconnessione ottica basata sull'intelligenza artificiale nei prossimi anni.

2. Perché Tower scommette sulla luce al silicio?

Tower è diverso da TSMC, Samsung e Intel. Non si concentra sui processi logici CPU e GPU più avanzati come campo di battaglia principale, ma si concentra a lungo termine sulla fonderia di wafer con processi speciali.

Il panorama tecnologico di Tower copre la fotonica del silicio, il silicio-germanio SiGe, la radiofrequenza RF, la gestione dell'alimentazione, i sensori di immagine e altri campi. Nell’era dell’IA, questo non sembra seguire la strada “2nm, 1.4nm”, ma ha guadagnato nuove opportunità di crescita.

Oltre alle GPU, i server AI richiedono anche un gran numero di chip di rete ad alta velocità, moduli ottici, chip optoelettronici e dispositivi analogici ad alta velocità.

Soprattutto nel campo della fotonica del silicio, Tower ha formato un profondo processo di accumulo.

PH18DA di Tower e altre piattaforme sono destinate ad applicazioni di comunicazione ottica ad alta velocità e possono integrare laser, amplificatori ottici, modulatori, fotorilevatori e altri dispositivi, fornendo una base di produzione per 800G, 1.6T e interconnessioni ottiche ad alta velocità di prossima generazione.

Ciò rende Tower un ruolo molto speciale nella catena industriale delle comunicazioni ottiche basate sull'intelligenza artificiale: non produce GPU, ma può produrre chip fotonici in silicio chiave necessari per connettere un gran numero di GPU.

3. Scommessa da 4 miliardi di dollari sul Giappone

La portata del piano di espansione della produzione giapponese di Tower supera i 600 miliardi di yen, ovvero circa 4 miliardi di dollari, ed è promosso principalmente lungo due direttrici.

Il primo percorso consiste nell'utilizzare Tower per espandere rapidamente la capacità di produzione di fotonica del silicio nelle fabbriche di wafer esistenti in Giappone.

Tower prevede di trasformare la sua fabbrica Arai nella città di Myoko, nella prefettura di Niigata, e di utilizzare le risorse di produzione correlate per la fotonica del silicio da 300 mm e la produzione relativa all'ottica avanzata; allo stesso tempo, la società aumenterà ulteriormente la capacità produttiva di wafer da 300 mm di Uozu Fab 7 nella prefettura di Toyama.

Fab 7 attualmente dispone di una base produttiva relativa al silicio-germanio e alla fotonica del silicio. Pertanto, Tower può completare l'introduzione delle apparecchiature, la verifica del processo e l'accelerazione della produzione di massa più velocemente della costruzione di una nuova fabbrica di wafer da zero.

Tower prevede che questa nuova capacità raggiungerà la produzione di massa nel quarto trimestre del 2027.

La seconda strada è più radicale.

Tower prevede di continuare a costruire nuovi impianti di produzione da 300 mm vicino alla Fab 7 per espandere ulteriormente la capacità di produzione della fotonica del silicio e del germanio di silicio. Si prevede che la nuova capacità produttiva fornirà un contributo sostanziale ai ricavi dell'azienda a partire dal 2029 circa.

Secondo il piano di Tower, dopo il completamento dei progetti rilevanti, si prevede che la sua capacità di produzione giapponese equivalente di wafer da 300 mm raggiungerà circa 45.000 wafer al mese.

Ciò significa che il Giappone diventerà una delle basi produttive più importanti per il prossimo ciclo di espansione della fotonica del silicio di Tower. (Come mostrato nell'immagine - 2028)

4. Perché il Giappone ha donato alla Tower 1 miliardo di dollari?

Dietro l'investimento su larga scala di Tower in Giappone c'è la strategia del governo giapponese volta a promuovere la ricostruzione della catena di fornitura dei semiconduttori.

Il Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria giapponese prevede di fornire un sostegno fino a circa 160 miliardi di yen, ovvero circa 1 miliardo di dollari, al progetto Tower, concentrandosi sul supporto delle capacità di produzione di semiconduttori per comunicazioni di prossima generazione come la fotonica del silicio e il silicio-germanio.

Negli ultimi anni il governo giapponese ha sostenuto la fabbrica di Kumamoto di TSMC, il progetto di logica avanzata Rapidus e una serie di progetti relativi a materiali semiconduttori, apparecchiature e imballaggi. Le capacità di produzione della fotonica del silicio rappresentate da Tower hanno integrato l’interconnessione ottica ad alta velocità dell’intelligenza artificiale.

Secondo gli accordi pertinenti, Tower deve assumersi responsabilità di produzione e fornitura a lungo termine. In caso di fornitura limitata di semiconduttori, anche il mercato giapponese riceverà garanzie di fornitura corrispondenti.

Pertanto, questo sussidio non riguarda solo "l'invito alla Tower a costruire una fabbrica in Giappone".

Ciò che il Giappone spera davvero di ottenere è un nodo produttivo chiave che possa servire i futuri data center IA, le comunicazioni ottiche e le industrie di integrazione optoelettronica.

5. La disposizione della Tower Japan ha anche un altro vantaggio: le persone lasciate da Panasonic

Tower ha scelto il Giappone per un altro motivo spesso trascurato: il talento.

Tower è entrata in Giappone già nel 2014 fondando TPSCo con Panasonic e rilevando le risorse di produzione di semiconduttori di Panasonic nella regione di Hokuriku.

Sebbene Panasonic abbia successivamente gradualmente abbandonato parte della propria attività di produzione di semiconduttori, sono stati mantenuti un gran numero di ingegneri, artigiani e fondazioni industriali con esperienza nella produzione di wafer.

Per la produzione di semiconduttori, questo è molto importante.

Una fab non può produrre semplicemente acquistando attrezzature. L'integrazione dei processi, la manutenzione delle apparecchiature, il miglioramento della resa, il controllo dei difetti e l'esperienza nella produzione di massa richiedono un accumulo a lungo termine.

Pertanto, Tower può utilizzare direttamente le fabbriche, le infrastrutture, i team di ingegneri e i sistemi della catena di fornitura esistenti per espandere la produzione in Giappone, anziché costruire da zero una nuova base produttiva.

Questo è anche un motivo importante per cui Tower sceglie di continuare a concentrarsi fortemente sul Giappone.

6. La vera prossima battaglia: CPO

Tuttavia, anche la concorrenza che Tower deve affrontare si sta intensificando.

In passato, i chip fotonici in silicio venivano utilizzati principalmente nei moduli ottici collegabili, ma poiché la larghezza di banda dei chip di commutazione AI continua ad aumentare, i dispositivi ottici si stanno avvicinando sempre più agli ASIC di commutazione e ai chip di elaborazione.

Così il settore ha iniziato a passare dai tradizionali moduli ottici collegabili all'NPO e poi al CPO.

CPO, ottica co-confezionata, ottica co-confezionata.

L'idea centrale è avvicinare il motore ottico al chip di commutazione e ridurre il consumo energetico e la perdita di segnale accorciando la distanza di trasmissione dei segnali elettrici ad alta velocità.

Ciò significa che la futura competizione nel campo della fotonica del silicio non riguarderà solo "chi può produrre chip fotonici del silicio", ma includerà anche chi sarà in grado di integrare la fotonica del silicio, imballaggi avanzati, ASIC di commutazione, chiplet e interconnessioni ad alta velocità in un sistema.

Le aziende produttrici di wafer come TSMC, Tower e GlobalFoundries stanno tutte pianificando in questa direzione.

Per Tower, uno dei compiti più importanti dell'espansione produttiva del Giappone è preparare in anticipo le capacità produttive per la fase successiva della competizione CPO.

7. Tower potrebbe creare una sinergia con la giapponese NTT

Il Giappone ha anche un'importante scheda fotonica al silicio: NTT.

Gruppo NTT ≈ Un mix di China Telecom + China Mobile + China Information Technology + grandi fornitori di servizi IT (simili al governo e alle imprese di Digital China/Huawei).

Se guardi solo alla rete fissa + base in fibra ottica, è più vicino a

China Telecom

China Mobile

NTT promuove da tempo il piano IOWN (Innovative Optical and Wireless Network), sperando di utilizzare la tecnologia di integrazione fotoelettrica per ridurre il consumo energetico nei data center e nelle reti di comunicazione.

Una delle direzioni più importanti è mantenere la "luce" in movimento nel sistema informatico.

Dalle connessioni ottiche tra data center, ai server, alle interconnessioni ottiche a livello di scheda e persino in prossimità dei chip, l'integrazione optoelettronica sta diventando un importante percorso tecnico per l'industria giapponese delle comunicazioni di prossima generazione.

Aziende come NTT Innovative Devices, Shin Kong Electric, Broadcom e Accton hanno già collaborato su motori ottici, substrati, ASIC di commutazione e integrazione di sistemi.

Tower sembra essere in grado di fornire uno dei collegamenti chiave: la fotonica del silicio e la produzione di wafer di silicio-germanio.

Se le due parti approfondiranno ulteriormente la cooperazione in futuro, il Giappone potrebbe gradualmente formarsi:

Produzione di wafer fotonici di silicio → Motore ottico → Substrato avanzato → CPO/NPO → Switch → Data center AI

Una catena industriale così più completa.

Ellwanger ha detto che esiste una possibilità quando si parla di una potenziale cooperazione con NTT, ma i dettagli specifici della cooperazione non sono stati ancora annunciati.

8. Il Giappone compete per l'"era dei chip ottici"

Un tempo il Giappone era molto indietro rispetto a TSMC e Samsung nel campo della produzione di logica avanzata, ma l'era dell'intelligenza artificiale ha dato al Giappone una finestra per riorganizzare l'industria dei semiconduttori.

Questa finestra non è necessariamente solo di 2 nm.

Anche la fotonica del silicio, il silicio-germanio, il packaging avanzato, l'integrazione optoelettronica, il CPO e i moduli ottici ad alta velocità diventeranno importanti direzioni di crescita per l'industria dei semiconduttori nel prossimo decennio.

Tower ha investito 4 miliardi di dollari per espandere la produzione in Giappone, quindi vale la pena comprenderlo in un contesto industriale più ampio.

Da un lato, Tower necessita di una grande capacità di produzione di fotonica del silicio per soddisfare le esigenze dei data center IA; d’altro canto, il Giappone spera di ristabilire le principali capacità produttive di semiconduttori. Tower ha bisogno degli ingegneri, delle basi produttive e del sostegno politico del Giappone, mentre il Giappone ha bisogno della tecnologia fotonica del silicio e dei clienti globali di Tower.

Gli interessi di entrambe le parti convergono in questo momento dell'interconnessione ottica AI.

Man mano che le GPU diventano più veloci e i cluster AI diventano più grandi, il modo in cui i dati si spostano tra centinaia di migliaia di chip diventerà un nuovo collo di bottiglia.

Una delle domande più importanti che si è posta nel settore dei semiconduttori negli ultimi vent'anni è stata: chi può produrre i transistor più avanzati?

Nei prossimi dieci anni, un'altra questione potrebbe diventare sempre più importante:

Chi può connettere centinaia di migliaia di chip AI con una luce più veloce e a basso consumo energetico?

Tower scommette 4 miliardi di dollari sulla risposta.