I futuri chip per l’IA potrebbero essere realizzati su vetro

Uno strato di vetro speciale potrebbe rendere i computer del futuro più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico.

Il vetro artificiale esiste da migliaia di anni. Ma ora è pronto a trovare impiego nei chip AI utilizzati nei data center più nuovi e più grandi del mondo.

Quest’anno, un’azienda sudcoreana chiamata Absolics ha in programma di avviare la produzione commerciale di pannelli di vetro speciali progettati per rendere l’hardware informatico di prossima generazione più potente ed efficiente dal punto di vista energetico. Anche altre aziende, tra cui Intel, stanno compiendo progressi in questo settore.

Se tutto andrà bene, questa tecnologia del vetro potrebbe ridurre il fabbisogno energetico dei chip di calcolo ad alte prestazioni utilizzati nei data center di IA e, se i costi di produzione dovessero diminuire, potrebbe alla fine fare lo stesso per i laptop e i dispositivi mobili di consumo.

L’idea è quella di utilizzare il vetro come substrato, o strato, su cui sono collegati più chip di silicio. Questa forma di “packaging” è un modo sempre più diffuso di costruire hardware informatico, perché consente agli ingegneri di combinare chip specializzati progettati per funzioni specifiche in un unico sistema. Ma presenta delle sfide, tra cui il fatto che i chip sottoposti a un carico di lavoro intenso possono surriscaldarsi al punto da deformare fisicamente il substrato su cui sono costruiti. Ciò può portare a un disallineamento dei componenti e ridurre l’efficienza del raffreddamento dei chip, causando danni o guasti prematuri.

“Con l’aumento dei carichi di lavoro dell’IA e l’espansione delle dimensioni dei pacchetti, il settore si trova ad affrontare vincoli meccanici molto reali che incidono sulla traiettoria del calcolo ad alte prestazioni”, afferma Deepak Kulkarni, senior fellow presso la società di progettazione di chip Advanced Micro Devices (AMD). “Uno dei più fondamentali è la deformazione”.

È qui che entra in gioco il vetro. È in grado di gestire il calore aggiuntivo meglio dei substrati esistenti e consentirà agli ingegneri di continuare a ridurre le dimensioni dei pacchetti dei chip, rendendoli più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico. “Sblocca la possibilità di continuare a ridimensionare l’ingombro dei pacchetti senza incontrare un limite meccanico”, afferma Kulkarni.

Si sta creando un forte slancio a sostegno di questo cambiamento. Absolics ha completato la costruzione di uno stabilimento negli Stati Uniti dedicato alla produzione di substrati in vetro per chip avanzati e prevede di avviare la produzione commerciale quest’anno. Il produttore statunitense di semiconduttori Intel sta lavorando per incorporare il vetro nei suoi pacchetti di chip di nuova generazione, e la sua ricerca ha spinto anche altre aziende della catena di fornitura del packaging dei chip a investire in questa tecnologia. Le aziende sudcoreane e cinesi sono tra i primi ad averla adottata. “Storicamente, questo non è il primo tentativo di adottare il vetro nel packaging dei semiconduttori”, afferma Bilal Hachemi, analista senior di tecnologia e mercato presso la società di ricerche di mercato Yole Group. “Ma questa volta , l’ecosistema è più solido e più ampio; la necessità di una [tecnologia] basata sul vetro è più marcata”.

Fragile ma potente

Il packaging dei chip si è basato su substrati organici come la resina epossidica rinforzata con fibra di vetro sin dagli anni ’90, afferma Rahul Manepalli, vicepresidente del reparto di packaging avanzato presso Intel. Ma le complicazioni elettrochimiche limitano la distanza minima a cui i progettisti possono posizionare i fori per creare connessioni di segnale e alimentazione rivestite di rame tra i chip e il resto del sistema. I progettisti di chip devono inoltre tenere conto del restringimento e della distorsione imprevedibili a cui sono soggetti i substrati organici quando i chip si riscaldano e si raffreddano. “Circa un decennio fa ci siamo resi conto che avremmo avuto alcune limitazioni con i substrati organici”, afferma Manepalli.

Il vetro potrebbe aiutare a superare molte di queste limitazioni. La sua stabilità termica potrebbe consentire agli ingegneri di creare 10 volte più connessioni per millimetro rispetto ai substrati organici, afferma Manepalli. Con connessioni più dense, i progettisti di Intel possono quindi inserire il 50% in più di chip di silicio nella stessa area del contenitore, migliorando la capacità di calcolo. Le connessioni più dense consentono inoltre un instradamento più efficiente dei fili di rame che forniscono energia al chip. E il fatto che il vetro dissipi il calore in modo più efficiente permette di realizzare chip che riducono il consumo energetico complessivo.

“I vantaggi dei substrati con anima in vetro sono innegabili”, afferma Manepalli. “È chiaro che questi vantaggi spingeranno il settore a realizzare questo progetto prima piuttosto che poi, e noi vogliamo essere tra i primi a farlo”.

Tuttavia, lavorare con il vetro comporta delle sfide. Innanzitutto, è fragile. I substrati in vetro per i pacchetti di chip dei data center sono realizzati con pannelli di spessore compreso tra soli 700 micrometri e 1,4 millimetri, il che li rende suscettibili a crepe o addirittura alla frantumazione, afferma Manepalli. I ricercatori di Intel e di altre organizzazioni hanno trascorso anni a capire come utilizzare altri materiali e strumenti speciali per integrare i pannelli di vetro in modo sicuro nei processi di produzione dei semiconduttori.

Ora, afferma Manepalli, i team di ricerca e sviluppo di Intel stanno producendo in modo affidabile pannelli di vetro e realizzando in serie pacchetti di chip di prova che incorporano il vetro; all’inizio del 2025 hanno dimostrato che un dispositivo funzionante con un substrato in vetro era in grado di avviare il sistema operativo Windows. Si tratta di un miglioramento significativo rispetto ai primi giorni di test, quando centinaia di pannelli di vetro si rompevano ogni due giorni, afferma.

I produttori di semiconduttori utilizzano già il vetro per scopi più limitati, come le strutture di supporto temporanee per i wafer di silicio. Ma la società indipendente di ricerche di mercato IDTechEx stima che esista un ampio mercato per i substrati in vetro, in grado di far crescere il mercato dei semiconduttori in vetro da 1 miliardo di dollari nel 2025 fino a 4,4 miliardi di dollari entro il 2036.

Il materiale potrebbe offrire ulteriori vantaggi se dovesse affermarsi. Il vetro può essere reso incredibilmente liscio, 5.000 volte più liscio dei substrati organici. Ciò eliminerebbe i difetti che possono insorgere quando il metallo viene stratificato sui semiconduttori, afferma Xiaoxi He, analista di ricerca presso IDTechEx. I difetti in questi strati possono peggiorare le prestazioni dei chip o addirittura renderli inutilizzabili.

Il vetro potrebbe anche aiutare ad accelerare il movimento dei dati. Il materiale è in grado di guidare la luce, il che significa che i progettisti di chip potrebbero utilizzarlo per costruire percorsi di segnale ad alta velocità direttamente nel substrato. Il vetro “racchiude un enorme potenziale per il futuro dell’elaborazione AI ad alta efficienza energetica”, afferma Kulkarni di AMD, poiché un sistema basato sulla luce potrebbe spostare i segnali con molta meno energia rispetto ai percorsi in rame “ad alto consumo energetico” attualmente utilizzati per trasportare i segnali tra i chip in un pacchetto.

Un punto di svolta

Le prime ricerche sul packaging in vetro sono iniziate nel 2009 presso il 3D Systems Packaging Research Center del Georgia Institute of Technology. L’università ha infine stretto una partnership con Absolics, una filiale di SKC, un’azienda sudcoreana che produce sostanze chimiche e materiali avanzati. SKC ha costruito un impianto per semiconduttori per la produzione di substrati in vetro a Covington, in Georgia, nel 2024, e la partnership sui substrati in vetro tra Absolics e il Georgia Tech ha infine ottenuto due sovvenzioni nello stesso anno – per un valore complessivo di 175 milioni di dollari – attraverso il programma CHIPS for America del governo statunitense, istituito sotto l’amministrazione del presidente Joe Biden.

Ora Absolics sta procedendo verso la commercializzazione; prevede di iniziare a produrre piccole quantità di substrati di vetro per i clienti quest’anno. L’azienda ha aperto la strada alla commercializzazione dei substrati di vetro, afferma Yongwon Lee , ingegnere di ricerca presso il Georgia Tech che non è direttamente coinvolto nella partnership commerciale con Absolics.

Absolics afferma che il proprio stabilimento è attualmente in grado di produrre un massimo di 12.000 metri quadrati di pannelli di vetro all’anno. Secondo le stime di Lee, ciò è sufficiente per fornire substrati di vetro per un numero compreso tra 2 e 3 milioni di pacchetti di chip delle dimensioni della GPU H100 di Nvidia.

Ma l’azienda non è sola. Lee afferma che diversi grandi produttori, tra cui Samsung Electronics, Samsung Electro-Mechanics e LG Innotek, hanno “accelerato in modo significativo” i loro sforzi di ricerca e produzione pilota nel settore del packaging in vetro nell’ultimo anno. “Questa tendenza suggerisce che l’ecosistema dei substrati in vetro si sta evolvendo da un singolo pioniere a una più ampia corsa industriale”, afferma.

Altre aziende stanno cambiando rotta per assumere ruoli più specializzati nella catena di fornitura dei substrati in vetro. Nel 2025, JNTC, un’azienda che produce connettori elettrici e vetro temperato per l’elettronica, ha aperto uno stabilimento in Corea del Sud in grado di produrre 10.000 pannelli di vetro semilavorati al mese. Tali pannelli includono fori per i collegamenti elettrici verticali e sottili strati metallici che rivestono il vetro, ma richiedono un ulteriore lavoro di produzione per l’installazione nei pacchetti di chip.

L’anno scorso, lo stabilimento sudcoreano ha iniziato a ricevere ordini per la fornitura di vetro semilavorato sia ad aziende specializzate in substrati che a produttori di semiconduttori. L’azienda prevede di espandere la produzione dello stabilimento nel 2026 e di aprire un’ulteriore linea di produzione in Vietnam nel 2027.  Queste iniziative del settore dimostrano la rapidità con cui la tecnologia dei substrati in vetro sta passando dalla fase di prototipo alla commercializzazione, e quanti attori del settore tecnologico stanno scommettendo sul fatto che il vetro possa costituire una base sorprendentemente solida per il futuro dell’informatica e dell’IA.

 

Foto di copertina: una delle prime versioni del substrato in vetro sviluppato da Absolics. Per gentile concessione di Absolics Inc.