Los circuitos integrados fotónicos (PIC) son diminutos sistemas ópticos fabricados con tecnología utilizada en la industria de circuitos integrados electrónicos. Los PIC permiten todo, desde complejos diseños ópticos que permiten enviar y recibir miles de millones de bits de información en un paquete del tamaño de una barra de caramelo hasta narices artificiales que pueden detectar diferentes compuestos y moléculas en el aire que las rodea.

La importancia de los PIC en la comunicación de alta velocidad dentro de los centros de datos de IA está provocando un rápido crecimiento de la demanda de transceptores habilitados para PIC para ayudar a que los modelos de aprendizaje automático crezcan cada vez más. La anticipación del aumento vertiginoso de la demanda de centros de datos de IA es la clave de la predicción de IDTechEx en su último informe, «Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits 2025-2035: Technologies, Market, Forecasts», de que el mercado de los PIC alcanzaría la asombrosa cifra de 54 000 millones de dólares en 2035.

Al aprovechar los miles de millones de dólares invertidos en la fabricación de chips CMOS, los PIC pueden desbloquear un nuevo potencial de escalado de procesamiento más allá de la ley de Moore. Sin embargo, el mercado de los PIC sigue enfrentándose a importantes retos, como las limitaciones de los materiales, la complejidad de la integración y la gestión de costes. Se requieren grandes volúmenes de demanda para compensar el coste inicial de diseño y fabricación de los PIC, y los plazos de producción pueden llegar a ser de meses. El nuevo informe de IDTechEx sobre los PIC investiga a fondo el mercado de los PIC y ha identificado los transceptores fotónicos para IA como un segmento emergente que pronto será la mayor fuente de demanda de PIC.

Se espera que el mercado de los circuitos integrados fotónicos se multiplique por casi 9 en los próximos 10 años. Fuente: IDTechEx

¿Cuáles son los materiales de los PIC del futuro?

Existe una amplia variedad de materiales PIC futuros. La mayor parte del mercado actual utiliza PIC basados en silicio y sílice para la propagación de la luz. Sin embargo, como semiconductor indirecto de banda prohibida, el silicio no es una fuente de luz o fotodetector práctico. Por lo tanto, el silicio se suele combinar con materiales III-V para fuentes de luz y fotodetección. Aprovechando la enorme industria de fabricación de circuitos integrados existente y, en general, aprovechando los procesos de nodo maduros, el dominio del mercado del silicio va a continuar.

Sin embargo, el niobato de litio de película fina (TFLN), con su moderado efecto Pockels y su baja pérdida de material, se perfila como un fuerte competidor para aplicaciones que requieren modulación de alto rendimiento, como los sistemas cuánticos o los transceptores de alto rendimiento en el futuro. El fosfuro de indio (InP) monolítico sigue siendo un actor importante debido a su capacidad para detectar y emitir luz. También se están explorando materiales innovadores como la titanita de bario (BTO) y los metales de tierras raras por su potencial en la computación cuántica y otras aplicaciones de vanguardia.

Cómo la IA está cambiando la demanda de fotónica de silicio y PIC

El auge de la inteligencia artificial (IA) ha estimulado una demanda sin precedentes de transceptores de alto rendimiento capaces de soportar las enormes velocidades de datos que requieren los aceleradores de IA y los centros de datos. La fotónica de silicio y los PIC están a la vanguardia de esta revolución, con su capacidad para transmitir datos a velocidades de 1,6 Tbps y más. Como demuestran las últimas unidades de servidor H200 de Nvidia, que, según la investigación de IDTechEx, requieren aproximadamente 2,5 transceptores de 800 G por GPU, la necesidad de una comunicación eficiente y de gran ancho de banda es cada vez más crítica para la IA, lo que sitúa a la fotónica de silicio y a los PIC como componentes esenciales en el futuro impulsado por la IA. El mayor impulsor del desarrollo de los transceptores PIC es la IA, ya que los aceleradores de IA de mayor rendimiento requerirán transceptores de mayor rendimiento, y se espera que los transceptores de 3,2 Tbps lleguen en 2026.

¿Cuáles son las aplicaciones futuras?

Otras aplicaciones de fotónica de silicio y PIC varían, desde interconexiones de chip a chip de gran ancho de banda hasta empaquetado avanzado y óptica empaquetada conjuntamente; estas tecnologías están allanando el camino para la informática de próxima generación.

Motores y aceleradores fotónicos: utilizando ciertos componentes fotónicos, como los interferómetros Mach-Zehnder, y controlando estos componentes a través de interconexiones electroópticas, se pueden diseñar y fabricar procesadores de alto rendimiento y dispositivos PIC programables, lo que permite obtener un rendimiento superior al que es posible con los aceleradores electrónicos por sí solos.

Sensores basados en PIC: Ciertos materiales PIC, como el nitruro de silicio, pueden utilizarse para una gama de sensores diferentes, desde sensores de gas hasta «narices artificiales». La industria de los sensores sanitarios podría aprovechar la miniaturización de los componentes ópticos en dispositivos PIC, que podrían tener aplicaciones en diagnósticos en el punto de atención o en dispositivos portátiles.

El LiDAR FMCW basado en PIC tiene el potencial de transformar las industrias automotriz y agrícola con aplicaciones en drones y vehículos autónomos.

Sistemas cuánticos: Las empresas que invierten en computación cuántica basada en iones atrapados y fotones buscan PIC para obtener sistemas cuánticos más estables y escalables. El desafío radica en lograr el control preciso de los fotones necesario para la computación cuántica.

El mercado de la fotónica de silicio y los PIC está experimentando un fuerte crecimiento, impulsado por el aumento de la demanda de IA y transceptores de comunicación de datos. Los principales actores del sector, como Intel/Jabil, Coherent e Infinera, utilizan activamente los PIC en sus transceptores. Innolight, una empresa de transceptores con sede en China, alcanzó una velocidad de transferencia de 1,6 Tbps en sus últimos transceptores a finales de 2023. Coherent, que cuenta con sus propias instalaciones de fabricación de obleas de InP, también está desarrollando transceptores de mayor rendimiento para aplicaciones de 1,6 T+. Intel Silicon Photonics, que ha transferido su negocio de transceptores a Jabil, anunció que había enviado más de 8 millones de PIC desde 2016, lo que demuestra la madurez de la tecnología. IDTechEx prevé que la tecnología PIC seguirá dominando el mercado de transceptores de alto rendimiento, consolidando aún más su posición como componente crítico en el panorama tecnológico moderno.