Il chip MEMS da 416 microm specchi di Chipsens può abbassare la soglia degli switch ottici

Il nuovo chip presentato da Suzhou Chipsens Technology è un array standardizzato di micromirror MEMS progettato per gli Optical Circuit Switch (OCS), gli switch a circuito ottico impiegati per collegare grandi sistemi di calcolo senza dover elaborare elettronicamente ogni pacchetto.

La sua importanza è soprattutto industriale: invece di costringere ogni produttore cinese di apparati a sviluppare da zero un grande array di specchi, un componente qualificato e comune potrebbe rendere più semplice progettare, personalizzare e produrre sistemi OCS domestici.

Il lancio va quindi letto come una tappa nella catena di fornitura del networking per l’intelligenza artificiale, non come la presentazione di uno switch ottico completo da 400×400 porte.

Che cosa ha presentato Chipsens

Il chip utilizza un sistema MEMS elettrostatico a doppio asse e integra 416 micromirror al silicio, orientabili indipendentemente, su un singolo die. Il numero 416 indica gli elementi specchio presenti sul chip: non va interpretato come una matrice di porte 416×416. Le dimensioni dichiarate del package sono 33,6 × 20,85 × 0,66 millimetri. 23

Le specifiche riportate includono:

• deviazione meccanica sull’asse X di ±6,5°;
• deviazione meccanica sull’asse Y di ±5,5°;
• riflettività nell’infrarosso di almeno 96%;
• tempo di risposta inferiore a 10 millisecondi;
• oltre un miliardo di cicli di commutazione;
• resa del die superiore al 90% nella produzione in volume;
• capacità dichiarata di supportare prodotti OCS di classe 400×400 porte. 23

Si tratta di valori riportati dall’azienda e da pubblicazioni di settore. Descrivono le prestazioni dichiarate del prodotto, ma non sostituiscono risultati di benchmark indipendenti pubblicati.

Come funziona un Optical Circuit Switch

Uno switch elettronico a pacchetto riceve i dati, analizza le informazioni di instradamento e li inoltra attraverso una matrice di commutazione elettrica. Un OCS, invece, stabilisce un percorso fisico della luce tra due estremità della rete.

Una volta configurato il collegamento, i dati possono attraversare lo switch senza essere convertiti ripetutamente da ottici a elettrici e nuovamente a ottici. In un OCS basato su MEMS, il software di controllo seleziona la connessione e piccoli specchi azionati elettrostaticamente inclinano il fascio luminoso dall fibra d’ingresso verso quella d’uscita corretta.

Il circuito rimane dedicato finché la rete non viene riconfigurata. Per questo la tecnologia è particolarmente adatta a traffici con tre caratteristiche:

1. Elevata larghezza di banda: i carichi di lavoro AI spostano grandi quantità di dati tra gruppi di acceleratori.
2. Pattern di comunicazione prevedibili: l’addestramento e altri carichi coordinati generano flussi persistenti che possono giustificare un circuito dedicato.
3. Tolleranza ai cambiamenti nell’ordine dei millisecondi: l’OCS viene in genere riconfigurato a livello di carico di lavoro o di pianificazione, non a ogni singolo pacchetto.

Gli OCS sono interessanti perché non dipendono dalla velocità dei dati o dalla lunghezza d’onda, offrono bassa latenza e possono ridurre una parte dei consumi associati all’elaborazione elettronica.

Questo non significa che l’OCS possa sostituire tutta la rete elettronica. Il traffico breve, improvviso o irregolare continua a trarre vantaggio dalla commutazione a pacchetto. Inoltre, uno strato ottico richiede software per la gestione della topologia, pianificazione delle connessioni, monitoraggio e ripristino dei guasti.

Perché l’OCS interessa ai cluster AI

Quando cresce il numero di acceleratori, anche il cablaggio punto-punto diventa più difficile da gestire. Uno strato ottico riconfigurabile può modificare quali gruppi di processori dispongono di collegamenti diretti, riducendo potenzialmente i livelli di commutazione elettrica e i punti di conversione del segnale.

L’architettura Ironwood di Google offre un esempio rilevante. Google descrive una rete OCS per collegare più cubi di TPU oltre il singolo cubo e spiega che i guasti ai collegamenti ottici e agli OCS possono essere aggirati per migliorare la disponibilità delle porzioni di TPU. 1721

La documentazione pubblicata da Google descrive sistemi Ironwood che arrivano a 9.216 chip in un superpod. Non significa che tutti i cluster AI adotteranno la stessa architettura, ma mostra perché il controllo dinamico della topologia diventi più importante all’aumentare dei processori interconnessi. 21

Anche le stime sui consumi richiedono prudenza. Alcuni materiali di settore hanno citato un risparmio di circa il 40% sull’energia di rete per specifiche architetture basate su OCS. Si tratta però di un risultato a livello di architettura, non di un risparmio garantito dalla sola installazione del chip di Chipsens.

NVIDIA, dal canto suo, presenta Spectrum-XGS Ethernet come una tecnologia per estendere le infrastrutture AI tra più data center. È una direzione distinta da un OCS MEMS che riconfigura fisicamente i percorsi fibra-fibra; anche le soluzioni di ottica co-packaged di NVIDIA mirano soprattutto a ridurre i consumi dell’I/O ottico e non equivalgono automaticamente a uno switch a circuito ottico.

Perché un componente standardizzato può contare in Cina

Un sistema OCS riunisce numerosi elementi complessi: array di specchi, motori ottici, allineamento delle fibre, packaging, elettronica di pilotaggio, software di controllo e affidabilità a livello di sistema.

Un micromirror standard può consentire ai produttori di apparati di concentrarsi sull’integrazione di questi livelli, senza dover finanziare separatamente lo sviluppo della parte più specializzata del motore ottico. In teoria, ciò può ridurre il costo e i tempi necessari per realizzare OCS personalizzati destinati a data center, reti dorsali e grandi cluster di calcolo AI cinesi.

Il componente potrebbe inoltre ridurre la dipendenza da forniture estere, anche se l’effettiva portata di questo risultato dipenderà dalla qualificazione presso i clienti, dalla resa mantenuta nel tempo, dall’affidabilità dei sistemi e dai volumi di installazione.

Secondo le informazioni disponibili, il team Chipsens ha iniziato a lavorare sugli switch basati su array MEMS nel 2019. Le tappe successive includono il tape-out di un grande array nel 2025, l’utilizzo in un sistema OCS da 320×320 canali e il lancio del prodotto standardizzato nell’agosto 2026. 124

La società dichiara inoltre competenze interne che coprono la progettazione dei micromirror, la lavorazione dei wafer, il packaging e i test. Un’altra pubblicazione riferisce che Chipsens ha completato un finanziamento Pre-A per accelerare lo sviluppo degli array MEMS e delle applicazioni di interconnessione ottica per i data center AI. 67

Dove si colloca il MEMS rispetto alle alternative

I micromirror MEMS sono una delle principali tecnologie per la commutazione ottica. Le alternative includono:

• Commutazione a cristalli liquidi: può offrire stabilità elevata e basse perdite ottiche, ma in genere è più lenta nella riconfigurazione.
• Sterzatura piezoelettrica o diretta del fascio: muove rapidamente un elemento ottico, con compromessi in termini di controllo, scala e costo.
• Switch robotici per fibre: allineano fisicamente le fibre e possono garantire perdite molto basse, ma il movimento meccanico è più lento.
• Switch fotonici al silicio o a guida d’onda: possono essere compatti e veloci, ma l’aumento del numero di porte, la gestione delle perdite ottiche e il controllo restano sfide ingegneristiche.

Il MEMS è spesso considerato l’approccio più maturo per molti OCS ad alta densità di porte perché combina elevata densità, perdite di inserzione relativamente basse, funzionamento a banda larga e riconfigurazione nell’ordine dei millisecondi. I confronti accademici e industriali indicano gli array MEMS da 320×320 come un’opzione pratica per sistemi di grandi dimensioni, mentre le analisi di mercato prevedono che il MEMS rimanga la principale categoria tecnologica nel breve periodo.

La tesi secondo cui il MEMS controllerebbe oltre il 70% del mercato OCS va tuttavia trattata con cautela. La quota varia a seconda della definizione del mercato, dell’anno considerato e della metodologia dell’analista. Le fonti disponibili sostengono che il MEMS sia una tecnologia leader o dominante, ma non forniscono una base indipendente e universalmente verificata per confermare quel 70%.

La roadmap e i limiti delle dichiarazioni attuali

L’offerta attualmente indicata da Chipsens comprende array di classe 300×300 e 320×320, mentre la società ha descritto un piano per arrivare a 1.024×1.024 porte. Si tratta di una roadmap: non dimostra che un prodotto 1.024×1.024 sia già in distribuzione o qualificato. 79

Allo stesso modo, le proposte per strati OCS destinati a cluster con 100.000 o più schede acceleratrici descrivono una possibile direzione architetturale. Per raggiungere quella scala non basterebbe un array di specchi più grande: servirebbero packaging ottico, software del piano di controllo, pianificazione, gestione dei guasti, cablaggio, progettazione termica e coordinamento con gli switch elettronici.

La documentazione di Google mostra proprio quanto siano importanti i meccanismi di instradamento alternativo e disponibilità, accanto alla rete ottica. 1721

La conclusione più solida è quindi più circoscritta, ma comunque significativa: Chipsens ha presentato un componente standardizzato da 416 micromirror, con specifiche dichiarate pensate per supportare sistemi OCS domestici di classe 400×400. Se le prestazioni, la resa e l’affidabilità dichiarate saranno confermate da una qualificazione più ampia presso i clienti, il chip potrebbe rendere più accessibile lo sviluppo di sistemi OCS in Cina e rafforzare la filiera locale di un componente critico per le interconnessioni AI.

Le promesse più ambiziose — grandi riduzioni dei consumi, reti ottiche per cluster da 100.000 schede e commutazione 1.024×1.024 — restano invece opportunità a livello di sistema o obiettivi futuri, non risultati dimostrati dal solo lancio del chip.