Optical networking: il prossimo megatrend delle infrastrutture AI

Per anni la discussione sull’infrastruttura per l’intelligenza artificiale ha ruotato attorno a un solo componente, il chip. La fase attuale sposta l’attenzione altrove. Un processore, per quanto potente, esprime la propria capacità di calcolo soltanto se può lavorare insieme agli altri, e questo richiede che i dati passino da un chip all’altro in modo continuo e con ritardi minimi. Il networking, cioè l’insieme delle connessioni che tengono insieme migliaia di processori, è diventato il fattore che sblocca la potenza dell’hardware installato. Goldman Sachs lo definisce la prossima frontiera dell’infrastruttura AI.

L’optical networking è la parte in cui i dati non viaggiano più come impulsi elettrici su rame o su circuito stampato, ma come luce dentro una fibra ottica. È una tecnologia che nei data center esiste da tempo per le tratte lunghe, ma che sta ora scendendo verso distanze sempre più corte. Questa discesa potrebbe generare il salto dimensionale del mercato: ogni volta che la luce sostituisce il rame su un tratto di connessione, il valore dei componenti installati in quel punto aumenta in modo significativo.

Passando dalla generazione di server oggi in distribuzione a quella attesa tra il 2027 e il 2028, il valore dei componenti di connessione per unità di calcolo cresce di 16 volte nella parte definita scale out e di 45 volte in quella definita scale up. Il mercato potenziale complessivo, in termini di valore, si moltiplica per 9, passando da circa 15 miliardi di dollari a circa 154 miliardi.

Scale up, scale out e scale across: le tre direzioni della crescita

Per capire il settore serve avere chiare tre espressioni. Lo scale up consiste nell’aggiungere più processori e risorse di calcolo dentro lo stesso apparato. La generazione Vera Rubin di Nvidia, per esempio, mette in collegamento 72 processori grafici all’interno di un singolo rack. Negli ultimi tempi lo scale up ha iniziato a dar vita ai cosiddetti supernodi, in cui più rack vengono collegati tra loro.

Lo scale out consiste invece nell’aggiungere altri apparati e collegarli attraverso tecnologie di commutazione, gli switch. È il metodo tradizionale di espansione di una rete e oggi permette di costruire cluster che superano i 100.000 processori.

Esiste infine lo scale across, che collega server situati in data center diversi, anche geograficamente distanti, un ambito per il quale Nvidia ha introdotto soluzioni basate su switch Ethernet e schede di rete di propria progettazione.

La distinzione conta perché storicamente le due aree hanno usato tecnologie diverse. Lo scale up, essendo confinato a distanze molto brevi, è sempre stato dominio del rame e del circuito stampato. Lo scale out, dovendo coprire decine o centinaia di metri, è sempre stato dominio della fibra.

Il cambiamento in corso, e la ragione per cui il mercato dell’ottica si allarga tanto, è che l’ottica sta iniziando a entrare anche nello scale up. Il mercato indirizzabile per moduli e motori ottici, estendendosi dallo scale out allo scale up, diventa 13 volte più grande per unità di calcolo.

Un timore diffuso tra gli investitori è che una configurazione finisca per sostituire l’altra, cannibalizzando i fornitori esistenti. La lettura di Goldman Sachs è opposta: tutte le configurazioni sono attese in forte crescita, sostenute dall’espansione dell’infrastruttura AI e dall’aumento della potenza di calcolo installata su ciascun armadio.

Rame, circuito stampato o fibra: la fisica decide

La scelta tra le tre famiglie di connessione dipende da vincoli fisici molto concreti. Il circuito stampato, il PCB, lavora sotto il mezzo metro, arriva a velocità fino a 224 gigabit e ha il consumo energetico più basso in assoluto, ma è anche la soluzione con i problemi di integrità del segnale più seri ed è sensibile alle interferenze elettromagnetiche.

Il rame copre distanze dell’ordine dei 5-10 metri e arriva a 448 gigabit, con consumi bassi e costi inferiori a quelli dell’ottica. La fibra ottica lavora oltre i 50 metri e regge velocità di 1,6 e 3,2 terabit, con un segnale stabile e totale immunità alle interferenze, ma richiede la conversione tra segnale elettrico e ottico, il che comporta consumi e costi più alti per via dei ricetrasmettitori.

Il punto critico è che il rame e il circuito stampato perdono qualità di segnale molto rapidamente quando aumentano distanza e velocità. Il costo del PCB è il più basso di tutti su grandi volumi, ma cresce in modo drastico se occorre migrare verso frequenze più elevate.

È questo il meccanismo che spinge l’ottica verso tratte sempre più corte.

Le nuove tecnologie

Un tema da osservare è la corsa alla velocità dei moduli ottici, i componenti che convertono il segnale elettrico in luce e viceversa. Dopo la fase in cui gli 800 gigabit sono diventati lo standard di mercato, il 2026 vedrà l’affermazione di 1,6 terabit, mentre 3,2 terabit dovrebbe iniziare a comparire nel 2027 e salire nel 2028.

La migrazione verrà poi allungata nel tempo dall’adozione successiva da parte dei fornitori cloud cinesi. Il salto di velocità conta perché sposta il mix verso prodotti più costosi: le ipotesi di prezzo utilizzate nell’analisi indicano circa 800 dollari per un modulo da 1,6 terabit e circa 1.600 dollari per uno da 3,2 terabit.

Sul singolo prodotto, a parità di specifica, il prezzo tende invece a scendere man mano che i volumi crescono, ed è quindi la migrazione verso le velocità superiori a sostenere il prezzo medio complessivo.

Il secondo filone è la sostituzione tecnologica al cuore del modulo. Nei moduli ottici è in corso una migrazione dagli EML alla silicon photonics, che integra le funzioni ottiche in un chip di silicio e utilizza generalmente laser CW come sorgente luminosa. La tecnologia offre maggiore integrazione, dimensioni ridotte, consumi e costi più bassi.

La penetrazione di questa tecnologia nel mercato dei data center è attesa passare dal 6% del primo trimestre 2024 al 45% del quarto trimestre 2028.

Il terzo filone è il più dirompente e si chiama co-packaged optics, abbreviato in CPO. L’idea è portare il motore ottico il più vicino possibile al chip, accorciando il percorso elettrico da alcuni centimetri a pochi millimetri. Il risultato è un consumo inferiore, una latenza più bassa, dimensioni ridotte e il risparmio di componenti intermedi come i processori di segnale e i rigeneratori.

Tuttavia la costruzione è complessa, perché richiede packaging tridimensionale e processi di livello semiconduttore. Inoltre la manutenzione diventa più onerosa: con un modulo estraibile, se il componente ottico si guasta si sostituisce solo il modulo e lo switch resta intatto, mentre con l’ottica integrata sulla scheda occorre sostituire il circuito stampato dello switch, e con il CPO applicato allo switch o al processore il guasto coinvolge direttamente il chip principale.

Per questa ragione la conclusione dell’analisi è che i moduli estraibili continueranno a convivere con il CPO invece di essere spazzati via, e che il CPO si affermerà soprattutto dove servono banda molto elevata e distanze brevi, condizioni in cui il costo totale di possesso diventa favorevole grazie ai risparmi energetici.

Il quarto tema riguarda la sorgente di luce. Il laser a onda continua, il CW laser, è oggi la soluzione più diffusa e copre distanze superiori al chilometro, con tecnologia matura. I VCSEL offrono efficienza energetica superiore ma una portata inferiore ai 100 metri, sufficiente per lo scale up. I MicroLED promettono elevata efficienza energetica e bassa latenza su distanze molto brevi, ma presentano una maturità tecnologica ancora bassa.

La quinta tematica è l’Optical Circuit Switch, l’OCS. Uno switch tradizionale converte la luce in segnale elettrico, la elabora e la riconverte in luce. L’OCS lavora interamente nel dominio ottico, creando un percorso luminoso diretto dalla fibra in ingresso a quella in uscita.

Il vantaggio pratico è notevole: poiché lo switch non interpreta il segnale, la stessa macchina funziona con velocità diverse e non deve essere sostituita quando il data center migra verso una velocità superiore.

Chi fa cosa

La filiera dell’optical networking è lunga e specializzata, e il modo più semplice per leggerla è seguire il percorso che porta dal materiale grezzo al modulo finito. Alla base ci sono i substrati, in particolare il fosfuro di indio, prodotto tra gli altri da JX Advanced Metals, Freiberger, Sumitomo Electric e AXT.

Sopra i substrati si costruiscono i chip fotonici, con due famiglie distinte: i trasmettitori EML, realizzati da produttori integrati come Lumentum, Coherent, Broadcom, Sumitomo, Mitsubishi e Accelink, e i circuiti fotonici in silicio, progettati e assemblati da Lumentum, Coherent, Broadcom, Innolight, Eoptolink e Accelink, con la produzione affidata a fonderie come TowerJazz, GlobalFoundries e TSMC.

Nel ramo dei laser a onda continua operano Landmark e VPEC sul fronte dei wafer epitassiali e dei chip laser, insieme a Furukawa, Sumitomo, Mitsubishi e YJ Semitech.

Al livello successivo si trovano i moduli ottici veri e propri, dove i nomi ricorrenti sono Innolight, Coherent, Broadcom, Lumentum, Eoptolink, Accelink, Fabrinet e Huawei. L’ecosistema del CPO aggiunge specializzazioni nuove: i motori ottici sono realizzati da TFC Optical, Browave, TSMC, Innolight, Eoptolink e PCL Tech, mentre i componenti che allineano la fibra al chip, chiamati FAU, vedono attivi FOCI, TFC Optical, Innolight e Advanced Fiber Resources.

La produzione dei chip CPO passa da TSMC per entrambi gli ecosistemi principali, quello Nvidia e quello Broadcom. La fibra vede la presenza di Corning, l’assemblaggio di sistema coinvolge Hon Hai e Fabrinet, e i macchinari di accoppiamento e collaudo arrivano da Robotechnik, ASMPT e All Ring. Nei circuiti stampati ad alte prestazioni operano Victory Giant, WUS e Unimicron, con i materiali di base forniti da EMC e Shengyi.

Nella parte più a monte, quella della fibra, è presente anche un produttore europeo. Prysmian è il maggiore produttore mondiale di cavi e ricava l’8% dei propri ricavi dalla fibra e dai cavi in fibra ottica, collocandosi tra i maggiori produttori di fibra grezza insieme a Corning, Sumitomo e Fujikura.

Il punto di tensione della filiera oggi è la sorgente luminosa. La disponibilità di laser EML e CW resta scarsa per tre ragioni concomitanti: la domanda spinta dalla crescita dei server AI e dalla migrazione di velocità, i vincoli di fornitura sui substrati in fosfuro di indio, aggravati dalle tensioni geopolitiche e dai controlli sulle esportazioni imposti dalla Cina, e i tempi lunghi necessari per ampliare la capacità produttiva.

Gli investimenti sono comunque in corso, con Lumentum che ha pianificato un ampliamento del 40% della capacità e Coherent che si è impegnata a raddoppiarla. La previsione è di una situazione tesa fino a tutto il 2027 e di un riequilibrio possibile nella seconda metà del 2028.

Quanto vale il mercato e da cosa dipende

Il metodo di calcolo è lineare: si stima quanto valgono i componenti di connessione installati su ciascun rack, si moltiplica per il numero di rack attesi lungo l’intero ciclo di vita del prodotto e si ottiene il mercato potenziale.

Il mercato potenziale in valore passa da circa 15 miliardi di dollari legati alla generazione attuale, concentrati soprattutto nel 2026, a circa 154 miliardi legati alla configurazione Rubin Ultra a 576 processori, concentrati soprattutto nel 2028.

Dentro quei 154 miliardi il ribaltamento di prospettiva è evidente: il 69%, pari a circa 106 miliardi, viene dallo scale up, cioè proprio dall’area storicamente presidiata dal rame. Il CPO, considerando i componenti impiegati sia nello scale up sia nello scale out, vale circa 91 miliardi, il 59% del totale. Per lo scale out il modello ipotizza una penetrazione del 29% nel 2028.

Il punto più delicato di tutta la costruzione è proprio il ritmo di adozione del CPO, che l’analisi tratta esplicitamente come variabile critica. Nello scenario più favorevole la penetrazione nello scale out passa dal 5% nel 2026 al 25% nel 2027 e al 29% nel 2028, con un mercato del CPO che cresce da circa 1 miliardo di dollari a circa 25 miliardi e poi a circa 71 miliardi, per un cumulato di circa 97 miliardi nel triennio e una domanda di circa 110.000 switch CPO destinati allo scale out nel 2028.

Nello scenario prudente, che assume configurazioni più conservative, lo stesso mercato vale circa 3,6 miliardi nel 2027 e circa 12 miliardi nel 2028. La distanza tra le due ipotesi, quasi 60 miliardi di dollari sul solo 2028, dà la misura di quanto l’intera stima dipenda da una singola scelta tecnologica dei clienti finali.

Cosa può rallentare la corsa

La direzione tecnologica è considerata certa, ma il ritmo no, e la differenza tra le due cose è dove si concentra il rischio. Il primo freno è contabile: se gli impianti della generazione precedente non sono ancora stati ammortizzati, la pressione finanziaria per rimandare il salto alla generazione successiva diventa rilevante.

Il secondo è fisico: la migrazione dipende dai tempi di costruzione degli edifici, delle reti elettriche e dei sistemi di dissipazione del calore. Il terzo è economico: quando una tecnologia entra in servizio il suo costo è molto più alto di quello che raggiungerà in produzione di massa, e alcuni clienti preferiscono aspettare. Il quarto è strategico: finché esistono più direzioni tecnologiche possibili, un investimento pesante e anticipato su una sola di esse comporta un rischio concreto.

A questi si aggiunge il vincolo di fornitura sulle sorgenti laser già descritto, per il quale un riequilibrio non è atteso prima della seconda metà del 2028.

La migrazione partirà dai grandi operatori cloud globali e sarà seguita da quelli cinesi, sostenendo la crescita della filiera del networking lungo i prossimi 5 anni, spinta dall’aumento delle installazioni di server AI, dall’aggiornamento delle specifiche tecniche e dall’estensione degli impieghi dell’ottica.

Fonte: ricerca Goldman Sachs