O que é a narrativa de luz entrando e cobre saindo: a Intel EMIB venceu a TSMC na tecnologia de interconexão óptica de IA?

A computação de IA desencadeou a tendência de luz substituindo cobre, com analistas indicando que o empacotamento EMIB da Intel possui vantagens na taxa de rendimento e dissipação de calor em encapsulamentos ópticos co-packaged (CPO), em comparação com o CoWoS da TSMC.

À medida que a demanda por computação de IA explode, o gargalo na transmissão de dados nos centros de dados está se estendendo do próprio chip para a arquitetura de empacotamento e interconexão. O empacotamento óptico co-packaged (CPO) é visto como o próximo ponto de revolução na infraestrutura fundamental, mas quem conseguir resolver primeiro os três desafios de rendimento, dissipação de calor e alinhamento de fibra óptica será a chave para vencer essa competição. Recentemente, o analista de semicondutores Bubble Boi destacou que a tecnologia de empacotamento EMIB da Intel possui vantagens, afirmando que o CoWoS da TSMC enfrenta gargalos na integração de CPO, o que gerou discussão na comunidade.

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Por que os cabos de cobre não suportam a transmissão de dados na era da IA?

Na arquitetura atual de centros de dados de IA, a escala de clusters de GPU continua a expandir-se, dependendo de alta largura de banda e baixa latência na transmissão de dados entre múltiplas GPUs, entre GPU e memória de alta largura de banda (HBM), e entre racks de servidores. No entanto, cabos de cobre tradicionais e sinais elétricos estão se aproximando de limites físicos devido ao enorme fluxo de dados e às demandas de consumo de energia.

De acordo com um relatório da Goldman Sachs, o mercado de comunicações ópticas deve crescer de aproximadamente 15 bilhões de dólares em 2026 para 154 bilhões de dólares até 2028, um crescimento potencial de dez vezes. Essa onda de "luz substituindo cobre" tem como solução central o empacotamento óptico co-packaged (CPO): integrar o motor óptico diretamente na embalagem do chip, substituindo sinais elétricos por sinais ópticos, reduzindo drasticamente o comprimento do trajeto de transmissão e o consumo de energia.

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Em termos de consumo de energia, essa diferença é bastante significativa. Módulos ópticos front panel tradicionais consomem cerca de 20 picojoules por bit (pJ/bit); enquanto a arquitetura CPO teoricamente pode reduzir esse valor para abaixo de 5 pJ/bit, representando uma economia de mais de 70%.

Desafios centrais do CPO: dissipação de calor e rendimento

Bubble Boi afirma que, para a produção em massa da tecnologia CPO, o maior desafio não é a física básica de transmitir luz por guias de onda, mas sim a gestão térmica na embalagem e a taxa de rendimento na fabricação.

Atualmente, a solução de empacotamento dominante na indústria é o CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) da TSMC, que integra todos os chips em uma grande camada intermediária de silício. Essa arquitetura enfrenta limitações fundamentais de escalabilidade: cada camada intermediária de silício é limitada pelo tamanho do retículo de máscara (reticle). Embora a TSMC tenha lançado versões derivadas como CoWoS-S, CoWoS-R e CoWoS-L, cada adição de chip ou empilhamento de HBM aumenta proporcionalmente a taxa de defeitos na embalagem. Se qualquer chip apresentar problema, toda a embalagem, avaliada em dezenas de milhares de dólares, deve ser descartada, e a taxa de rendimento cai rapidamente após uma área equivalente a cerca de 5,5 retículas.

Mais complicado ainda, os fotônicos são extremamente sensíveis à temperatura, e GPUs de alto desempenho ou ASICs de switches geram calor intenso durante a operação. Como integrar os fotônicos na mesma placa de embalagem sem comprometer a taxa de rendimento ou o controle térmico é o verdadeiro gargalo para a produção em massa do CPO atualmente.

Vantagem do EMIB da Intel: resolver parcialmente os problemas localmente

Bubble Boi acredita que, ao contrário do método da TSMC, que usa uma camada intermediária grande e integrada, a solução EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) da Intel adota uma lógica de design completamente diferente.

O EMIB substitui toda a camada intermediária de silício por uma ponte de silício extremamente pequena, que realiza acoplamento preciso apenas nas regiões de alta densidade de conexão necessárias, concentrando o processamento de áreas de alta geração de calor e complexidade, enquanto mantém o restante com menor risco. Essa estratégia de "focar nos problemas mais difíceis localmente" mostra uma vantagem clara na taxa de rendimento: a avaliação da indústria é que o empacotamento EMIB pode alcançar uma taxa de rendimento superior a 95%, suportando uma escala de embalagem equivalente a cerca de 12 retículas, muito superior ao desempenho do CoWoS na mesma dimensão.

Na área de tecnologia de fotônica de silício, a Intel tem mais de 25 anos de experiência e, em 2024, demonstrou um chip de entrada óptica (Optical I/O Chiplet) com EMIB, capaz de atingir taxas de transmissão bidiretas de 2 Tbps, com consumo de apenas cerca de 5 pJ/bit, além de ter concluído testes de acoplamento de fibra óptica e confiabilidade compatíveis com o padrão JEDEC.

Entre os processos críticos estão o alinhamento de fibra óptica e os testes de confiabilidade, que ainda são áreas de exploração para muitos concorrentes de CPO, sendo pontos-chave entre a demonstração e a produção em larga escala.

O que a capacidade de iteração da TSMC pode fazer: a solução COUPE pode liderar?

É importante notar que Bubble Boi é, na verdade, uma figura de destaque na Intel, portanto, considerar que o mercado de CPO será dominado exclusivamente pela Intel é uma visão simplista, subestimando os recursos e a capacidade de inovação do ecossistema da TSMC.

A plataforma COUPE da TSMC, usando a tecnologia de empilhamento de chips SoIC-X, planeja integrar chips eletrônicos diretamente sobre chips fotônicos na embalagem avançada CoWoS até 2026, formando uma arquitetura completa de CPO. Isso significa que a comunicação óptica entre servidores pode avançar para o nível de empacotamento do chip. Além disso, a TSMC também está estudando tecnologias de próxima geração, como substratos de vidro (CoPoS) e soldagem híbrida (Hybrid Bonding), para superar as limitações físicas das camadas intermediárias de silício.

O switch Tomahawk 5 Bailly da Broadcom, com CPO, já começou a ser entregue a clientes iniciais, suportando velocidades de 51,2 Tbps, com produção em maior escala prevista para 2026. Tudo isso mostra que a competição pela comercialização do CPO não é apenas uma disputa técnica, mas também uma batalha de capacidade de produção em massa.

NPO como melhor solução de transição atual, e a popularização do CPO após 2028

Para entender o cenário competitivo do CPO, é preciso distinguir outro conceito-chave: a óptica próxima ao pacote (NPO, Near-Package Optics).

Fonte: Roteiro de evolução da tecnologia de empacotamento óptico da Alphawave SEMI: de módulos ópticos plugáveis, óptica de placa / NPO, integração de óptica co-packaged (2.5D CPO), empacotamento 3D (3D CPO) até a integração completa de fontes de laser (Laser Integrado).

A diferença entre NPO e CPO está no grau de integração: o CPO integra o motor óptico diretamente na embalagem do chip; o NPO posiciona o motor óptico muito próximo ao pacote, conectando-se por uma ponte elétrica de curto alcance, sacrificando um pouco de desempenho para obter maior isolamento térmico e melhor taxa de rendimento. Grandes provedores de nuvem como Google já utilizam atualmente a solução NPO, combinando EMIB da Intel e CoWoS da TSMC.

No mercado atual, as três principais soluções para centros de dados — Optica Plugável, NPO e CPO — coexistem. A previsão geral é que o CPO substitua amplamente as soluções tradicionais de plug-in somente entre 2028 e 2030, com o NPO ainda sendo a principal solução de transição nesse período.

Quais ações na cadeia de suprimentos de semicondutores podem se beneficiar da onda de interconexão óptica?

Essa onda de interconexão óptica traz oportunidades em múltiplos níveis para a cadeia de suprimentos de semicondutores de Taiwan. A plataforma COUPE da TSMC é a tecnologia central mais destacada; a AlphaWave (3363) já foi incorporada ao ecossistema de fotônica da TSMC, com especificações avançando para 1,6T e até 3,2T; a Faraday (6830) foca em detecção de perdas ópticas e testes de mercado de componentes de fotônica de silício, oferecendo serviços, equipamentos e licenças.

Além disso, empresas como ZTE (2345), especializada em equipamentos de rede e ingressando na área de CPO, XinCheng (6451), focada em módulos de transmissão óptica, e LianYa (3081), com longa experiência em componentes de comunicação óptica, são consideradas potenciais beneficiárias. A líder em empacotamento avançado, ASE (3711), com vasta experiência em CoWoS, também tem potencial para se posicionar.

Embora o EMIB da Intel ofereça vantagens reais e quantificáveis na integração de CPO, especialmente na taxa de rendimento, dissipação de calor e testes de confiabilidade de fibra óptica, o resultado dessa competição provavelmente não será uma vitória absoluta de uma única parte: a Intel deve manter uma posição importante na integração de soluções de alta ponta, enquanto o ecossistema da TSMC pode consolidar sua participação de mercado por meio de escala e relacionamento com clientes.

A tendência de luz substituindo cobre é inquestionável, mas quem conseguir liderar em dissipação de calor, rendimento e execução de produção em massa será o verdadeiro fator determinante para o sucesso dessa revolução tecnológica.

• Este artigo foi reproduzido com permissão de: 《Link News》
• Título original: 《Análise da narrativa "Luz substituindo cobre": a Intel EMIB venceu a TSMC na tecnologia de interconexão óptica para IA?》
• Autor original: Crumax