Революция кремниевой фотоники — технологии со скоростью света, меняющие ИИ, дата-центры и многое другое

Кремниевая фотоника использует кремниевые фотонные интегральные схемы (PIC) для управления светом с целью обработки данных и связи, обеспечивая соединения на кристалле и между кристаллами на скоростях, таких как 100 Гбит/с и 400 Гбит/с.
Кремниевый фотонный чип размером с ноготь может содержать десятки лазерных каналов и, благодаря плотному мультиплексированию по длине волны, передавать терабиты данных.
Межцентровые соединения в дата-центрах выигрывают от оптических линий, которые потребляют меньше энергии и обеспечивают большую плотность, при этом были продемонстрированы прототипы, такие как коммутаторы на 51,2 Тбит/с с интегрированным оптическим вводом/выводом.
В 2024 году компания Ayar Labs продемонстрировала оптический чиплет, обеспечивающий пропускную способность 8 Тбит/с с использованием 16 длин волн, а позднее в 2024 году привлекла $155 миллионов в раунде серии D при участии Nvidia, AMD и Intel, что повысило её оценку выше $1 миллиарда.
В конце 2023 года Intel передала производство своих кремниевых фотонных трансиверов компании Jabil после того, как с 2016 года было отгружено более 8 миллионов фотонных трансиверных чипов.
В конце 2023 года InnoLight продемонстрировала прототип оптического трансивера на 1,6 Тбит/с, а к 2026 году ожидаются модули на 3,2 Тбит/с по мере приближения к многотерабитным соединениям.
Американский институт AIM Photonics получил семилетнюю программу на $321 миллион до 2028 года для развития производства интегральной фотоники в США, что позволит создать кремниевую фотонную фабрику и линию упаковки в Нью-Йорке.
В 2023 году Broadcom продемонстрировала прототипы коммутаторов с оптикой в корпусе на 25,6 Тбит/с и 51,2 Тбит/с с интегрированными лазерными фотонными модулями.
В 2024 году Lightmatter привлекла $400 миллионов в раунде серии D для финансирования своей оптической платформы ускорения ИИ, а PsiQuantum публично представила путь к фотонному квантовому компьютеру, устойчивому к потерям, с помощью своего чипа Omega в 2024 году.
Аналитики прогнозируют, что рынок кремниевой фотоники достигнет примерно $54 миллиардов к 2035 году, из которых около $11 миллиардов придётся на не-датовые приложения, в основном благодаря потребностям дата-центров для ИИ.

Что такое кремниевая фотоника и как она работает?

Кремниевая фотоника — это технология, использующая кремниевые фотонные интегральные схемы (PIC) для управления светом (фотонами) с целью обработки и передачи данных. Проще говоря, это означает создание оптических устройств (таких как лазеры, модуляторы и детекторы) на кремниевых чипах аналогично тому, как изготавливаются электронные схемы. Эти кремниевые фотонные чипы могут передавать и принимать данные с помощью света, обеспечивая ультрабыструю передачу данных с высокой пропускной способностью и низкими потерями энергии ansys.com. Ключевые компоненты включают волноводы (миниатюрные оптические «провода», которые направляют свет по чипу), модуляторы (которые кодируют данные на световых лучах), лазеры (обычно добавляются из других материалов, так как сам кремний не может излучать свет) и фотодетекторы (для преобразования входящего света обратно в электрические сигналы) ansys.com. Интегрируя их на кремниевой платформе, инженеры используют хорошо отработанные методы производства полупроводников (CMOS) для массового выпуска фотонных устройств, сочетая скорость света с масштабом современной чиповой индустрии ansys.com.

Как это работает? Вместо электрических импульсов в медных проводах кремниевые фотонные схемы используют инфракрасный лазерный свет, проходящий по волноводам микронного масштаба. Кремний прозрачен для инфракрасных длин волн, что позволяет свету распространяться с минимальными потерями при условии, что он ограничен окружающими материалами, такими как диоксид кремния, обладающими меньшим показателем преломления ansys.com ansys.com. Данные кодируются на этих световых волнах с помощью модуляторов, которые могут быстро изменять интенсивность или фазу света. На другом конце фотодетекторы на чипе преобразуют оптические сигналы обратно в электрическую форму. Поскольку свет колеблется на частотах, значительно превышающих частоты электрических сигналов, оптические соединения могут передавать намного больше данных в секунду, чем электрические провода. Один крошечный оптоволоконный кабель или волновод может передавать десятки или сотни гигабит в секунду, а при использовании нескольких длин волн света (плотное мультиплексирование по длине волны) одно волокно может передавать терабиты данных. На практике кремниевая фотоника обеспечивает связь на кристалле или между кристаллами на скоростях, таких как 100 Гбит/с, 400 Гбит/с и выше, что в противном случае потребовало бы множество медных линий или было бы просто невозможно на больших расстояниях ansys.com optics.org.

Кремниевые фотонные устройства компактны, быстры и энергоэффективны. Свет может проходить по волноводам с очень низким сопротивлением (без электрической ёмкости или проблем с нагревом, которые возникают у меди на высоких скоростях), что означает потенциально более низкое энергопотребление при передаче данных. Один из анализов отмечает, что оптические соединения могут радикально устранить узкие места передачи данных и снизить нагрев в высокопроизводительных системах – «оптические соединения, реализованные с помощью кремниевой фотоники, — единственный масштабируемый путь вперёд» для удовлетворения стремительно растущих требований к пропускной способности laserfocusworld.com. Проще говоря, кремниевая фотоника сочетает недорогую, массово производимую платформу кремниевых чипов с физикой света, создавая «схемы для фотонов» на чипе ansys.com. Эта технология позволяет нам буквально передавать данные со скоростью света в тех случаях, когда традиционная электроника достигает своих пределов.

Ключевые области применения кремниевой фотоники

Кремниевая фотоника начиналась с волоконно-оптических коммуникаций, но сегодня это универсальная платформа, находящая применение во многих передовых областях. Благодаря высокой скорости и энергоэффективности любая сфера, где требуется передавать огромные объёмы данных (или точно управлять светом), может использовать эту технологию. Вот некоторые из ключевых применений:

Центры обработки данных и высокоскоростные облачные сети

Одно из важнейших применений — внутри центров обработки данных и суперкомпьютеров, где кремниевая фотоника решает острую задачу создания более быстрых и эффективных соединений. Современные облачные и гипермасштабируемые центры обработки данных обрабатывают огромные потоки данных между серверами, стойками и по сетям кампусов. Медные кабели и традиционные электрические коммутаторы становятся все большим узким местом — они потребляют слишком много энергии и не могут масштабироваться на большие расстояния или скорости (например, медные соединения 100 Гбит/с работают только на несколько метров). Кремниевые фотонные соединения решают эту проблему, используя оптоволокно и встроенные оптические модули для соединения серверов и коммутаторов на очень высоких скоростях с минимальными потерями. Оптические трансиверы на основе кремниевой фотоники уже заменяют или дополняют электрические соединения для связи между стойками и даже внутри одной стойки tanaka-preciousmetals.com.

Cisco и Intel были пионерами в этой области: Cisco теперь разрабатывает высокоскоростные вставные оптические трансиверы, используя кремниевую фотонику для соединения сетевого оборудования expertmarketresearch.com. Аналогично, Intel использует кремниевую фотонику для повышения связности дата-центров, поставив миллионы 100G оптических чипов-трансиверов и сейчас наращивая выпуск 200G, 400G и тестируя 800G оптические модули tanaka-preciousmetals.com. Мотивация очевидна — по мере удвоения скоростей передачи данных с 100G до 200G и 400G, дальность передачи по меди резко сокращается. «Когда вы заходите в современный дата-центр, вы увидите медные кабели 100 Гбит/с, соединяющие серверы с коммутатором верхнего уровня… Эти кабели подходят для четырёх метров или около того. Но всё, что дальше стойки, уже использует оптику», отмечает Роберт Блюм, старший директор по фотонике в Intel, добавляя, что «по мере увеличения скоростей передачи данных до 200 или 400 Гбит/с, дальность меди становится намного меньше, и мы видим тенденцию, когда оптика доходит до самого сервера». tanaka-preciousmetals.com В кластерах высокопроизводительных вычислений (HPC) и AI-суперкомпьютерах, где тысячи процессоров нуждаются в низкозадерживающих соединениях, оптические интерконнекты обеспечивают пропускную способность, необходимую для подачи данных ко всем этим чипам ansys.com, laserfocusworld.com. Благодаря внедрению фотоники в коммутатор и даже в процессорные корпуса (так называемая совместная упаковка оптики), будущие сети дата-центров достигнут гораздо большей пропускной способности. Фактически, коммутаторы на 51,2 Тбит/с с интегрированным оптическим вводом-выводом уже на горизонте, и прототипы уже были продемонстрированы tanaka-preciousmetals.com.

Преимущества для дата-центров значительны: меньшее энергопотребление (оптические линии тратят гораздо меньше энергии на тепло, чем передача электронов по меди на десятках ГГц), большая плотность (многие оптические каналы можно мультиплексировать без опасений по поводу электромагнитных помех) и большая дальность (оптические сигналы могут передаваться на километры при необходимости). Это означает, что кремниевая фотоника помогает дата-центрам масштабировать производительность без ограничения пропускной способности соединений. Один рыночный аналитик отметил, что дата-центры, ориентированные на ИИ, создают беспрецедентный спрос на высокопроизводительные оптические трансиверы, утверждая, что «кремниевая фотоника и фотонные интегральные схемы находятся в авангарде этой революции благодаря своей способности передавать данные на скоростях 1,6 Тбит/с и выше». optics.org На практике один фотонный чип размером с ноготь может содержать десятки лазерных каналов, вместе передающих терабиты данных — критически важно для облачной инфраструктуры следующего поколения.

Ускорение ИИ и машинного обучения

Взрывной рост нагрузок ИИ и машинного обучения — особый случай применения в дата-центрах; он заслуживает отдельного упоминания, потому что ИИ предъявляет уникальные требования и стимулировал новые применения кремниевой фотоники. Обучение продвинутых моделей ИИ (например, больших языковых моделей для чат-ботов) включает масштабные параллельные вычисления, распределённые между множеством GPU или специализированных ускорителей ИИ. Этим чипам необходимо обмениваться огромными объёмами данных для таких задач, как обучение моделей, что часто приводит к насыщению обычных электрических соединений. Кремниевая фотоника даёт ИИ двойное преимущество: высокоскоростные соединения и даже потенциал для оптических вычислений.

Со стороны межсоединений разрабатываются оптические каналы для прямого соединения чипов AI-ускорителей или памяти с помощью света (иногда это называют оптическим I/O). Заменяя традиционную серверную заднюю панель или связь GPU-GPU на оптоволокно, AI-системы могут значительно снизить задержку передачи данных и энергопотребление. Например, стартапы, такие как Ayar Labs, создают оптические чиплеты ввода-вывода, которые располагаются рядом с процессорами и передают данные с помощью света, устраняя необходимость в плотных пучках медных дорожек. В 2024 году Ayar Labs продемонстрировала оптический чиплет, обеспечивающий пропускную способность 8 Тбит/с с использованием 16 длин волн света — признак того, как могут выглядеть межсоединения AI следующего поколения businesswire.com. Крупные производители чипов проявляют интерес: Nvidia, AMD и Intel инвестировали в Ayar Labs в рамках раунда финансирования на $155 млн, делая ставку на то, что оптические межсоединения станут ключом к масштабированию будущего AI-оборудования nextplatform.com. Как пошутил один журналист, если невозможно получить достаточно скорости, просто ускоряя чипы, «следующее лучшее, во что стоит вложиться, — это, вероятно, какая-то форма оптического I/O.» nextplatform.com

Помимо передачи данных между AI-чипами, кремниевая фотоника также позволяет использовать оптические вычисления для AI. Это означает выполнение определённых вычислений (например, матричных умножений в нейронных сетях) с помощью света, а не электричества, что потенциально может обойти некоторые ограничения по скорости и энергии современных электронных AI-ускорителей. Компании, такие как Lightmatter и Lightelligence, создали прототипы фотонных процессоров, которые используют интерференцию света в кремниевых волноводах для параллельных вычислений. В конце 2024 года Lightmatter привлекла впечатляющие $400 млн в раунде серии D (оценка компании достигла $4,4 млрд) для развития своей технологии оптических вычислений nextplatform.com. Хотя эта технология всё ещё находится на ранней стадии, такие фотонные AI-ускорители обещают сверхбыстрое выполнение нейронных сетей с низкой задержкой и гораздо меньшим энергопотреблением, поскольку фотоны выделяют минимальное количество тепла по сравнению с миллиардами переключений транзисторов.

В целом, по мере того как модели ИИ становятся больше и сложнее (и требуют кластеры из десятков тысяч чипов), кремниевая фотоника рассматривается как «смена парадигмы», способная преодолеть узкие места в коммуникациях инфраструктуры ИИ laserfocusworld.com. Она предлагает способ масштабировать пропускную способность между процессорами линейно с ростом спроса, с чем электрические соединения справляются с трудом. Эксперты отрасли прогнозируют, что оптические технологии (такие как оптика совместной упаковки, оптические межчиповые соединения и, возможно, фотонные вычислительные элементы) в ближайшие годы станут стандартом в системах ИИ — а не просто нишевым экспериментом. Фактически, по одной из оценок, дата-центры ИИ будут расти настолько быстро (50% среднегодовой темп роста энергопотребления), что к 2030 году они могут стать неустойчивыми при существующих электрических интерфейсах ввода-вывода, что делает кремниевую фотонику «незаменимой частью нашей будущей инфраструктуры» для обеспечения масштабируемости ИИ laserfocusworld.com.

Телекоммуникации и сети

Кремниевая фотоника берет свое начало в телекоммуникациях и продолжает революционизировать способы передачи данных на большие расстояния. В волоконно-оптических телекоммуникационных сетях — будь то магистраль Интернета, подводные кабели или городские и абонентские сети — интегрированная фотоника используется для создания оптических трансиверов, которые меньше, быстрее и дешевле. Традиционные системы оптической связи часто полагались на дискретные компоненты (лазеры, модуляторы, детекторы, собранные по отдельности), но интеграция кремниевой фотоники позволяет разместить многие из этих компонентов на одном чипе, повышая надежность и снижая затраты на сборку tanaka-preciousmetals.com.

Сегодня оптические трансиверные модули, использующие кремниевую фотонику, широко применяются для соединения дата-центров и все чаще внедряются в телекоммуникационную инфраструктуру для скоростей 100G, 400G и выше. Например, такие компании, как Infinera и Cisco (Acacia), разработали когерентные оптические трансиверы на основе кремниевой фотоники для каналов 400G и 800G в телеком-сетях. Широкополосные и 5G/6G беспроводные сети также получают преимущества — оптоволоконные линии, соединяющие сотовые вышки или передающие данные fronthaul/backhaul, могут стать более эффективными благодаря кремниевой фотонике. Intel отмечает, что кремниевая фотоника сыграет роль в «развертывании сетей 5G следующего поколения с использованием меньших форм-факторов и более высоких скоростей: от 100G сегодня до 400G и выше в будущем» expertmarketresearch.com. Возможность интегрировать десятки лазерных длин волн на одном чипе полезна для систем плотного спектрального мультиплексирования (DWDM), которые операторы связи используют для увеличения числа каналов в каждом волокне. В 2023 году китайская компания InnoLight даже продемонстрировала 1,6 Тбит/с оптический трансивер (с использованием нескольких длин волн и продвинутой модуляции) — признак того, что многотерабитные оптические каналы уже на горизонте optics.org.

Еще одно сетевое применение — в основном маршрутизирующем и коммутирующем оборудовании. Высокопроизводительные маршрутизаторы и оптические коммутаторы начинают использовать кремниевые фотонные схемы для таких функций, как оптическое переключение, маршрутизация сигналов и даже фильтрация длин волн на чипе. Например, были созданы прототипы крупных кремниевых фотонных коммутирующих матриц, использующих кремниевые МЭМС или термооптические эффекты для быстрого переключения световых путей, что потенциально позволяет реализовать полностью оптическое коммутационное оборудование. В будущем такие решения могут применяться в сетях дата-центров для оптической перенастройки соединений «на лету» (Google намекала на использование оптических коммутаторов в некоторых своих AI-кластерах) nextplatform.com.

В целом, в телекоммуникациях цели — это большая пропускная способность и более низкая стоимость передачи одного бита. Кремниевая фотоника помогает масштабировать пропускную способность волоконно-оптических линий (100G → 400G → 800G и 1,6T на длину волны), а также снижать производственные издержки за счет использования КМОП-технологий. Показательно, что кремниевая фотонная дивизия Intel, до реструктуризации, поставила более 8 миллионов фотонных трансиверных чипов с 2016 по 2023 год для центров обработки данных и сетевых применений optics.org. И отраслевое сотрудничество растет: например, в конце 2023 года Intel объявила о передаче производства своих трансиверов компании Jabil (контрактному производителю) для дальнейшего масштабирования optics.org. Тем временем такие гиганты оптических компонентов, как Coherent (ранее II-VI), и традиционные телеком-поставщики (Nokia, Ciena и др.) все инвестируют в кремниевую фотонику для оптических модулей следующего поколения optics.org. Эта технология становится краеугольным камнем как физической инфраструктуры Интернета, так и быстро развивающейся экосистемы 5G/6G-связи.

Сенсоры и LiDAR

Кремниевая фотоника — это не только про связь: она также открывает возможности для новых типов сенсоров, используя точное управление светом на чипе. Одна из захватывающих областей — биохимические и экологические сенсоры. Кремниевые фотонные сенсоры могут обнаруживать малейшие изменения показателя преломления или поглощения, когда образец (например, капля крови или химический пар) взаимодействует с направленным световым пучком. Например, на кремниевом фотонном чипе может быть крошечный кольцевой резонатор или интерферометр, который меняет частоту при связывании определённых молекул. Это позволяет реализовать лабораторную диагностику на чипе — определение биомаркеров (белков, ДНК, газов и т.д.) с высокой чувствительностью и потенциально низкой стоимостью. Такие фотонные биосенсоры могут использоваться для медицинской диагностики, экологического мониторинга или даже в приложениях типа «искусственный нос» optics.org optics.org. Ключевыми преимуществами являются миниатюризация и интеграция: один кремниевый фотонный сенсорный чип может объединять источники света, чувствительные элементы и фотодетекторы, предлагая компактный и прочный сенсор вместо громоздкого лабораторного оптического оборудования. Исследования в области фотоники на основе нитрида кремния (разновидность, лучше работающая на видимых длинах волн) открывают еще больше сенсорных применений, поскольку SiN может направлять видимый свет для регистрации флуоресценции или сигналов Рамана, что невозможно для чистого кремния.

Ещё одной быстро развивающейся областью применения является LiDAR (Light Detection and Ranging) для автономных транспортных средств, дронов и робототехники. LiDAR-системы испускают лазерные импульсы и измеряют отражённый свет для построения карты расстояний — по сути, это «3D-лазерное зрение». Традиционные LiDAR-устройства часто используют механическое сканирование и отдельные лазеры/детекторы, что делает их дорогими и довольно громоздкими. Кремниевая фотоника предлагает способ создания LiDAR на чипе: интеграция элементов управления лучом, делителей, модуляторов и детекторов монолитно. Кремниевый фотонный LiDAR может использовать твердотельное управление лучом (например, оптические фазовые решётки) для сканирования окружающей среды без движущихся частей. Это радикально уменьшает размер и стоимость LiDAR-устройств. На самом деле, Mobileye от Intel уже заявила, что использует кремниевые фотонные интегральные схемы в своих LiDAR-датчиках для автономного вождения следующего поколения примерно к 2025 году tanaka-preciousmetals.com. Такая интеграция может снизить стоимость LiDAR и обеспечить массовое внедрение в автомобилях. LiDAR на основе кремниевой фотоники также может обеспечивать более быстрое сканирование и более высокое разрешение за счёт использования нескольких длин волн или когерентных методов детектирования, реализованных на чипе. Дополнительным преимуществом является то, что такие интегрированные решения, как правило, потребляют меньше энергии — важный фактор для электромобилей.

По данным Ansys, «LiDAR-решения на основе кремниевой фотоники более компактны, потребляют меньше энергии и дешевле в производстве, чем системы, собранные из отдельных компонентов». ansys.com Это кратко объясняет, почему компании — от стартапов до технологических гигантов — спешат разрабатывать фотонные LiDAR. Уже появляются прототипы FMCW LiDAR (LiDAR с непрерывной частотной модуляцией), для которых требуются сложные фотонные схемы, такие как настраиваемые лазеры и интерферометры. Кремниевая фотоника — естественная платформа для этого, и эксперты прогнозируют, что интегрированная фотоника станет ключом к массовому внедрению FMCW LiDAR (благодаря его дальности и устойчивости к помехам) optics.org optics.org. В ближайшем будущем ожидайте появления автомобилей и дронов с небольшими LiDAR-устройствами на чипе, обладающими высокой производительностью — это прямой результат инноваций в области кремниевой фотоники.

Помимо LiDAR, другие области применения сенсоров включают гироскопы и инерциальные датчики (использование кольцевых лазерных гироскопов на чипе для навигации) и спектрометры (интегрированные оптические спектрометры для химического анализа). Общая черта — кремниевая фотоника приносит точность оптических измерений в миниатюрном, пригодном для массового производства формате. Это открывает новые возможности в потребительской электронике (представьте себе оптический датчик здоровья в умных часах), промышленном мониторинге и научных приборах.

Квантовые вычисления и фотонные квантовые технологии

В поисках квантовых компьютеров фотоны (частицы света) играют уникальную роль. В отличие от электронов, фотоны могут проходить большие расстояния, не взаимодействуя с окружающей средой (что полезно для передачи квантовой информации), и некоторые схемы квантовых вычислений используют фотоны в качестве самих кубитов. Силиконовая фотоника стала ведущей платформой для исследований в области квантовых вычислений и сетей.

Несколько стартапов и исследовательских групп работают над фотонными квантовыми компьютерами, которые используют фотонные схемы на основе кремния для генерации и управления кубитами, закодированными в свете. Например, PsiQuantum, стартап с крупным финансированием, сотрудничает с полупроводниковым производством для создания крупномасштабного квантового компьютера с использованием тысяч кремниевых фотонных каналов для кубитов. Идея заключается в интеграции таких устройств, как одиночные фотонные источники, светоделители, фазовые модуляторы и фотонные детекторы на одном чипе для выполнения квантовой логики с фотонами. Преимущество кремниевой фотоники здесь — масштабируемость: поскольку она использует технологии производства CMOS, можно (в теории) создавать очень сложные квантовые фотонные схемы с сотнями или тысячами компонентов, что гораздо сложнее реализовать в других подходах к квантовому оборудованию. Действительно, недавно исследователи продемонстрировали кремниевые фотонные чипы с тысячами компонентов, работающих вместе для управления квантовым светом nature.com.

Кремниевая фотоника также позволяет реализовать квантовые сети — защищённые коммуникации с использованием квантового распределения ключей (QKD) и запутанных фотонов — предоставляя платформу для компактных, стабильных оптических квантовых передатчиков и приёмников. Кроме того, определённые квантовые сенсорные технологии (например, оптические квантовые гироскопы или однофотонный LiDAR) могут использовать кремниевые фотонные чипы в своей основе.

Одна из основных проблем фотонных квантовых вычислений — генерация одиночных фотонов по требованию и их маршрутизация с малыми потерями. Интересно, что те же ограничения (и решения), которые применимы к классической кремниевой фотонике, действуют и в квантовой: кремний не излучает лазерный свет сам по себе, поэтому квантовые фотонные чипы часто используют интегрированные нелинейные процессы или источники на квантовых точках для создания одиночных фотонов, либо гибридно интегрируют специальные материалы. Преимущества при этом схожи — высокая точность и миниатюризация. Как отмечает отчёт Ansys, квантовые компьютеры используют фотоны для вычислений, и управление этими фотонами с помощью интегрированной фотоники обеспечивает преимущества в скорости, точности и стоимости ansys.com. На практике кремниевая фотоника может обеспечить стабильность и производимость, необходимые для масштабирования квантовых систем от лабораторных экспериментов до реальных машин.

Помимо вычислений, квантовые фотонные датчики (например, интерферометры, использующие квантовые состояния для повышения чувствительности) и квантовые генераторы случайных чисел — это другие области, где кремниевая фотоника оказывает влияние. Хотя фотонные квантовые вычисления все еще находятся в стадии разработки и, вероятно, до их зрелости пройдет еще несколько лет, значительные инвестиции в эту область подчеркивают ее перспективность. В 2022 году ведущий исследователь, профессор Джон Бауэрс, отметил, что кремниевая фотоника быстро развивается, и на горизонте появляются многие новые приложения, включая квантовые nature.com. Можно предположить, что первые крупномасштабные квантовые компьютеры могут на самом деле быть оптическими, построенными на кремниевых фотонных чипах — это захватывающий виток, когда технология, изначально разработанная для телекоммуникаций, может обеспечить следующий скачок в вычислениях.

Текущие тенденции и разработки (2025)

По состоянию на 2025 год кремниевая фотоника набирает огромные обороты. Ряд тенденций сошлись, чтобы вывести эту технологию из лабораторий и нишевых применений в мейнстрим технологической индустрии:

Узкое место передачи данных и совместно упакованная оптика: Ненасытный спрос на данные (особенно со стороны ИИ и облачных сервисов) сделал электрические соединения серьезным узким местом. Мы подошли к тому моменту, когда при каждом удвоении пропускной способности соединения приходится вдвое сокращать длину медного кабеля для сохранения целостности сигнала nextplatform.com – это неустойчивый компромисс. Эта острота проблемы привлекла внимание к таким подходам, как совместно упакованная оптика (CPO), когда оптические модули размещаются прямо рядом с ASIC-коммутаторами или процессорными чипами, чтобы практически полностью устранить электрическую линию передачи. В 2023 году несколько компаний продемонстрировали совместно упакованную оптику в коммутаторах (например, прототипы коммутаторов Broadcom с пропускной способностью 25,6 Тбит/с и 51,2 Тбит/с с интегрированными фотонными лазерными модулями). Дорожные карты отрасли показывают, что чипы Ethernet-коммутаторов на 51,2 Тбит/с с совместно упакованной кремниевой фотоникой должны выйти на рынок в ближайший год-два tanaka-preciousmetals.com, а примерно к 2026–2027 годам мы, вероятно, увидим первые CPU/GPU, использующие оптический ввод-вывод напрямую nextplatform.com. Другими словами, оптическая эра соединений вот-вот наступит в практических системах. Компании Intel, Nvidia и Cisco активно разрабатывают решения CPO. На самом деле, проект Tomambe от Intel и другие уже продемонстрировали фотонные модули на 1,6 Тбит/с, интегрированные с чипами-коммутаторами tanaka-preciousmetals.com. Общий консенсус: после многих лет исследований совместно упакованная оптика переходит от прототипов к продуктам, стремясь снизить энергопотребление на бит за счет приближения источников света к источнику данных (по одной из оценок, экономия энергии составляет 30% по сравнению с внешними модулями laserfocusworld.com).
Всплеск инвестиций и активности стартапов: За последние пару лет наблюдается значительный приток инвестиций и финансирования в венчурные проекты в области кремниевой фотоники. Это отражает уверенность отрасли в будущем этой технологии. Например, в конце 2024 года Ayar Labs привлекла $155 миллионов в раунде серии D (что позволило ей получить статус «единорога» с оценкой более $1 миллиарда) для масштабирования своих оптических решений ввода-вывода; примечательно, что в этом раунде приняли участие стратегические инвесторы — сами Nvidia, AMD и Intel nextplatform.com. Аналогично, стартап в области фотонных вычислений Lightmatter получил $400 миллионов финансирования в 2024 году для развития своей оптической AI-платформы ускорения nextplatform.com. Еще один стартап, Celestial AI, специализирующийся на оптических интерконнектах для AI, не только привлек $175 миллионов в начале 2024 года, но и приобрел портфель IP по кремниевой фотонике компании Rockley Photonics (ранее ориентированной на фотонику для сенсоров) за $20 миллионов в октябре 2024 года datacenterdynamics.com. Эта сделка принесла Celestial AI более 200 патентов в области кремниевой фотоники и свидетельствует о некоторой консолидации в отрасли — небольшие игроки с ценными фотонными технологиями (у Rockley были разработаны передовые модуляторы и интегрированная оптика для носимых устройств) поглощаются компаниями, ориентированными на рынки дата-центров и AI. Мы также увидели, как HyperLight и Lightium, два стартапа, специализирующихся на фотонных чипах из тонкопленочного ниобата лития, привлекли в общей сложности $44 миллиона инвестиций в 2023 году optics.org, что подчеркивает интерес к новым материалам для совершенствования кремниевой фотоники (TFLN-модуляторы могут обеспечивать более высокие скорости и низкие потери). В целом, венчурное финансирование и поддержка корпораций компаний в области кремниевой фотоники находятся на рекордно высоком уровне, что отражает осознание того, что оптические технологии критически важны для будущих полупроводников.
Созревание технологий и рост экосистемы: Еще одна тенденция — это созревание экосистемы кремниевой фотоники. Сейчас в этой сфере участвует больше фабрик и поставщиков. Раньше только несколько игроков (таких как Intel или Luxtera) обладали полным циклом возможностей. Теперь крупные полупроводниковые фабрики, такие как GlobalFoundries, TSMC и даже STMicroelectronics, предлагают производственные линии по кремниевой фотонике или стандартизированные фотонные PDK (наборы проектирования процессов) для клиентов ansys.com. Такая стандартизация позволяет стартапам и небольшим компаниям проектировать фотонные схемы и изготавливать их без необходимости строить собственное производство — аналогично тому, как работают безфабричные компании по производству электронных чипов. Регулярно проводятся совместные запуски пластин (MPW) для фотонных чипов, когда несколько проектов делят один запуск пластины, что значительно снижает стоимость прототипирования. Отраслевые группы работают над стандартизированными решениями по упаковке (оптические интерфейсы ввода-вывода, методы крепления волокна), чтобы фотонные чипы можно было проще интегрировать в продукты. Создание Американского института по производству интегрированной фотоники (AIM Photonics) стало большим толчком: этот государственно-частный консорциум создал фабрику и линию упаковки по кремниевой фотонике в Нью-Йорке и недавно получил грант $321 млн на 7 лет (до 2028 года) для развития производства интегрированной фотоники в США nsf.gov. Аналогично, в Европе исследовательские институты, такие как IMEC в Бельгии и CEA-Leti во Франции, предоставляют платформы по кремниевой фотонике и способствовали формированию кластера фотонных стартапов. В Китае также наблюдается рост интереса к кремниевой фотонике: такие компании, как InnoLight и Huawei, инвестируют в развитие отечественных фотонных чипов optics.org optics.org. Все эти события свидетельствуют о том, что кремниевая фотоника больше не является экспериментальной технологией — она становится стандартной частью набора инструментов полупроводниковой отрасли.
Более высокие скорости и новые материалы: С технологической точки зрения мы наблюдаем стремительный прогресс в повышении производительности кремниевых фотонных устройств. 800G оптические трансиверы уже доступны в виде образцов, продемонстрированы модули на 1,6 Тбит/с optics.org, а к 2026 году ожидаются подключаемые модули на 3,2 Тбит/с optics.org. Для достижения таких скоростей инженеры используют всё — от 16-канального мультиплексирования по длине волны до передовых форматов модуляции, по сути, используя оптическую область для упаковки большего количества битов. На уровне устройств в кремниевую фотонику интегрируются новые материалы для преодоления ограничений самого кремния. Яркий пример — тонкоплёночный ниобат лития (TFLN) на кремнии, который обеспечивает очень быстрые модуляторы на эффекте Поккельса с низкими потерями. Это может позволить создавать модуляторы с полосой пропускания модуляции более 100 ГГц, подходящие для будущих соединений 1,6T и 3,2T или даже для квантовых приложений optics.org. Стартапы, такие как HyperLight, коммерциализируют эти гибридные чипы LiNbO3/Si. Среди других материалов в НИОКР — электрооптические модуляторы на основе титаната бария (BTO) и материалы, легированные редкоземельными элементами, для создания лазеров/усилителей на чипе optics.org. Также продолжается работа по интеграции полупроводников III-V группы (InP, GaAs) на кремний для улучшения лазеров и оптических усилителей — например, лазеры на квантовых точках, выращенные непосредственно на кремнии, значительно продвинулись вперёд, решая проблемы надёжности, которые мешали более ранним попыткам nature.com nature.com. Короче говоря, палитра материалов для кремниевой фотоники расширяется, что приведёт к более высокой производительности и новым возможностям. Мы даже видим, как кремниевая фотоника используется для создания микрогребёнок (источников оптических частотных гребёнок) для таких приложений, как сверхбыстрая передача данных и прецизионная спектроскопия — то, что десять лет назад казалось бы фантастикой.
Появляющиеся приложения и продукты: Наряду с основными приложениями, в 2025 году появляются новые варианты использования. Один из них — оптические вычисления для ИИ (обсуждалось ранее), которые переходят от исследовательских демонстраций к ранним продуктам — например, компания Lightelligence представила фотонное вычислительное оборудование для ускорения вывода ИИ. Другой пример — оптические соединения между кристаллами в передовых упаковках: по мере того как компании исследуют многокристальные модули и чиплеты, оптические соединения могут связывать эти чиплеты с высокой скоростью через корпус или интерпозер. Стандарты, такие как UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), даже рассматривают оптические расширения PHY. Мы также видим интерес со стороны государства: DARPA и другие агентства реализуют программы по использованию фотонных соединений в оборонных системах (для высокопроизводительной обработки и маршрутизации радиочастотных сигналов). А в потребительском сегменте есть предположения, что в течение нескольких лет оптический ввод-вывод может появиться в потребительских устройствах — например, в AR/VR-гарнитуре, использующей кремниевый фотонный чип для высокоскоростных сенсорных соединений, или в оптическом кабеле Thunderbolt для AR-очков. Хотя этого пока нет, эти идеи уже на стадии проектирования.

В заключение, 2025 год знаменует собой переломный момент для кремниевой фотоники: на рынок выходят значимые коммерческие продукты (особенно в сетевых технологиях), идут огромные инвестиции, и экосистема становится зрелой. Всё более очевидно, что оптика будет играть фундаментальную роль в вычислениях и связности в будущем. Как выразился один из отраслевых комментаторов, во второй половине этого десятилетия многие ожидают, что оптический ввод-вывод перейдёт от пилотных линий к массовому производству — «у вычислительных систем поколения 2025 года, возможно, ещё не будет кремниевой фотоники, но у поколения 2026 года она может появиться, а у поколения 2027 года почти наверняка будет», потому что в конечном итоге у нас нет выбора — «время меди истекло». nextplatform.com

Проблемы и ограничения

Несмотря на весь энтузиазм, кремниевая фотоника сталкивается с рядом проблем и ограничений, которые исследователи и инженеры активно пытаются преодолеть. Это преобразующая технология, но не волшебная палочка — по крайней мере, пока. Вот основные препятствия:

Интеграция источников света: Возможно, самое известное ограничение заключается в том, что кремний плохо генерирует свет. Кремний имеет непрямую запрещённую зону, что означает, что он не может выступать в роли лазера или эффективного светодиода. Как прямо говорит пионер фотоники Джон Бауэрс, «Кремний невероятно плох как излучатель света.» nature.com Его внутренняя эффективность близка к нулю — примерно один из миллиона электронов в кремнии создаёт фотон, тогда как полупроводники III-V группы, такие как фосфид индия или арсенид галлия, могут излучать свет с почти 100% эффективностью nature.com. Это означает, что для наличия лазеров на кремниевом фотонном чипе обычно необходимо вводить другие материалы. Это можно сделать с помощью гибридной интеграции (соединение куска пластины InP с лазерными диодами с кремниевой пластиной) или с помощью новых технологий, таких как прямой рост наноструктурированных III-V лазеров на кремнии. Прогресс в этой области обнадёживает: компании и лаборатории (Intel, UCSB и др.) продемонстрировали гибридные интегрированные лазеры в промышленном масштабе, а недавно даже квантово-точечные лазеры, выращенные на 300-мм кремниевых пластинах с хорошей надёжностью nature.com nature.com. Тем не менее, интеграция лазеров добавляет сложности и стоимости. Если лазер находится вне чипа (в отдельном лазерном модуле, соединённом через оптоволокно), возникает задача эффективного ввода этого света в крошечные волноводы на чипе. Короче говоря, доставить свет на чип — нетривиальная задача. Индустрия исследует решения, такие как гетерогенная интеграция (несколько материалов на одном чипе) и даже новые подходы, такие как электрически накачиваемые германиево-кремниевые лазеры или рамановские лазеры на кремнии, но они всё ещё находятся на стадии становления. По состоянию на 2025 год большинство кремниевых фотонных систем используют либо гибридные лазеры, либо внешние лазеры, подключённые извне. Это одна из ключевых областей текущих исследований.

точного контроля размеров

Стыковка волокон с чипом

технологий корпусирования

технологический подход к производству должен учитывать потребности обеих частей

«выделение тепла в электронике может повлиять на фотонику.»

ansys.com

Стоимость и объем: Говоря о стоимости — хотя кремниевая фотоника обещает низкую цену за счет использования массовых кремниевых фабрик, на сегодняшний день эти устройства все еще остаются относительно нишевыми и дорогими. Отрасль поставляет миллионы устройств (в виде трансиверов для дата-центров), но чтобы действительно снизить стоимость, вероятно, потребуется ежегодно поставлять миллиарды устройств ansys.com. Другими словами, она еще не достигла масштабов массовой электроники. Устройства часто также требуют специализированной упаковки (как уже упоминалось) и тестирования, что увеличивает стоимость. Современный кремниевый фотонный трансивер для дата-центров может стоить сотни или тысячи долларов, что приемлемо для этого рынка, но слишком дорого для потребительских рынков. Экономика на очень больших масштабах пока немного неопределенна — как отмечает один из отчетов, крупные облачные покупатели беспокоятся о надежности и структуре затрат, если они будут широко внедрять кремниевую фотонику, поскольку технология еще не достигла производственной кривой обучения, характерной для массового кремния nextplatform.com. Тем не менее, стоимость постепенно снижается, и такие усилия, как стандартные PDK фабрик и автоматизация, способствуют этому. В ближайшие несколько лет, по мере увеличения объемов (благодаря ИИ и дата-центрам), мы должны увидеть снижение стоимости, что, в свою очередь, откроет новые рынки (это добродетельный цикл, как только он запустится). Тем не менее, в 2025 году стоимость одного устройства может быть ограничивающим фактором для внедрения кремниевой фотоники в чувствительных к стоимости приложениях.
Потребление энергии и эффективность: Хотя кремниевая фотоника может снизить энергопотребление при передаче данных на очень высоких скоростях, сами устройства все же потребляют энергию — например, модуляторы часто используют термическую настройку или PN-переходы, которые потребляют ток, а лазеры, конечно, тоже требуют энергии. Существует издержка на преобразование электронных сигналов в оптические и обратно. Чтобы действительно экономить энергию на уровне системы, эти издержки должны быть меньше, чем экономия от отказа от длинных электрических соединений. Современные кремниевые фотонные трансиверы довольно энергоэффективны (порядка нескольких пикоДжоулей на бит для оптического преобразования), но есть стремление сделать их еще более эффективными, особенно если оптический ввод-вывод используется на кристалле или в шинах памяти, где требуется очень высокая эффективность. Одним из перспективных подходов является использование электрооптических материалов (таких как LiNbO3 или BTO), которые могут модулировать свет при очень низком напряжении (и, соответственно, с меньшим энергопотреблением) вместо термической настройки. Кроме того, интеграция более эффективных источников света (например, квантово-точечных лазеров) может снизить потери энергии на лазерах (современные лазеры с распределенной обратной связью часто теряют много энергии в виде тепла). Таким образом, хотя кремниевая фотоника решает проблему энергопотребления межсоединений на макроуровне, на микроуровне инженеры все еще оптимизируют энергопотребление каждого устройства. Хорошая новость: даже с текущими технологиями совместно упакованная оптика может снизить общее энергопотребление межсоединений примерно на 30% по сравнению с традиционными подключаемыми решениями laserfocusworld.com, а будущие улучшения, вероятно, увеличат эти показатели.
Проектирование и инструменты проектирования: Это менее очевидная, но важная проблема: проектирование фотонных схем — это новый набор навыков, а EDA (системы автоматизации проектирования электроники) для фотоники пока не так совершенны, как для электроники. Моделирование оптических схем, особенно больших с множеством компонентов, может быть сложным. Необходимо учитывать вариабельность производства при проектировании (возможно, понадобятся термостабилизаторы для коррекции небольших ошибок). Требуются более совершенные инструменты проектирования, которые могут совместно оптимизировать электронные и фотонные части схем, что часто называют EPDA (автоматизация проектирования электронно-фотонных схем). Экосистема развивается — такие компании, как Synopsys, Cadence и Lumerical (Ansys), предлагают инструменты для фотонного проектирования — но это всё ещё развивающаяся область. Связанная проблема — отсутствие стандартов в некоторых областях: хотя многие фабрики предлагают PDK, у каждой могут быть свои библиотеки компонентов и параметры. Это может сделать проекты менее переносимыми по сравнению с электронными схемами. Отрасль движется к общим стандартам (например, формат обмена макетами для фотонных схем или стандартизированные модели компонентов), но требуется ещё много работы для оптимизации процесса проектирования. Также важно формировать устойчивый кадровый резерв: нужны инженеры, разбирающиеся и в аналоговом проектировании в стиле СВЧ/РЧ, и в оптической физике, а таких специалистов мало (хотя многие университеты уже выпускают выпускников с такими междисциплинарными знаниями).
Ограничения по производительности: Хотя кремниевая фотоника значительно улучшает определённые параметры, у неё есть и свои физические ограничения. Оптические потери в волноводах, хотя и низкие (~дБ/см), накапливаются в больших схемах, а крутые изгибы или мелкие элементы могут увеличивать потери. Также необходимо минимизировать потери при вводе света с оптоволокна на чип. Термическая чувствительность кремния (показатель преломления меняется с температурой) означает, что многие кремниевые фотонные схемы требуют стабилизации или калибровки. Ограничения по полосе пропускания могут возникать в модуляторах или детекторах — например, у кремниевых кольцевых модуляторов конечная полоса пропускания и высокая чувствительность к температуре, а модуляторы типа Маха-Цендера требуют тщательной инженерии для достижения очень высокой скорости без искажений. Хроматическая дисперсия в волноводах может ограничивать очень широкополосные приложения (хотя обычно это не проблема на коротких расстояниях на чипе). Ещё один тонкий момент: интеграция электроники и фотоники часто требует совместного проектирования электроники (например, драйверных усилителей, TIA для детекторов) с фотоникой. Интерфейс между ними может ограничивать общую производительность (например, если модулятору требуется определённая амплитуда напряжения, нужен драйвер, способный быстро её обеспечить). Поэтому системная инженерия становится сложной. Кроме того, не все приложения оправдывают использование фотоники — для очень коротких и низкоскоростных соединений электроника может быть дешевле и проще. Поэтому важно понимать, где применение кремниевой фотоники даст наибольший эффект.

В заключение, хотя ни одна из этих проблем не является непреодолимой, в совокупности они означают, что кремниевая фотоника все еще должна развиваться. Многие из самых ярких умов в области фотоники и электроники активно решают эти задачи: интегрируют лучшие лазеры, улучшают упаковку, масштабируют производство и расширяют проектные возможности. Прогресс даже за последние несколько лет обнадеживает. Как отметил профессор Бауэрс, такие задачи, как интеграция III-V лазеров в CMOS, повышение выхода годных изделий и присоединение волокон, а также снижение стоимости, все решаются с «очень быстрым прогрессом» nature.com. Каждый год приносит улучшения, и разрыв между лабораторным прототипом и массовым производством становится немного меньше. Стоит помнить, что на достижение сегодняшнего масштаба электронным ИС потребовались десятилетия напряженной работы — кремниевая фотоника, по сравнению с этим, находится на гораздо более ранней стадии своего пути, но быстро догоняет.

Ведущие компании и учреждения в этой области

Кремниевая фотоника стала глобальным направлением, в котором участвуют многие компании (от стартапов до технологических гигантов) и исследовательские институты, двигающие отрасль вперед. Согласно рыночным исследованиям, ведущими игроками на рынке кремниевой фотоники (по состоянию на 2025 год) являются такие гиганты отрасли, как Cisco, Intel и IBM, а также специалисты, такие как NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics и STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Вот обзор некоторых ключевых участников:

Корпорация Intel (США): Являясь пионером в области кремниевой фотоники, Intel рано и значительно инвестировала в эту технологию. В 2016 году компания представила один из первых 100G кремниевых фотонных трансиверов и с тех пор отгрузила миллионы устройств optics.org. Intel использует кремниевую фотонику в высокоскоростных оптических трансиверах и продвигает её в будущие серверные процессоры и edge-приложения. Видение компании — «обеспечить рост пропускной способности дата-центров будущего» с помощью фотоники, масштабируя решения от 100G до 400G и выше, а также интегрировать оптику с процессорами для таких приложений, как 5G и автономные транспортные средства expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Подразделение Silicon Photonics компании Intel недавно заключило партнерство с Jabil для производства, что свидетельствует о переходе к массовому выпуску optics.org. Intel также исследует совместную упаковку оптики для коммутаторов и имеет долю в ряде фотонных стартапов (например, Ayar Labs).
Cisco Systems (США): Cisco, гигант в области сетевых технологий, вошла в сферу кремниевой фотоники через приобретения (например, покупка Luxtera в 2019 году) и сейчас является ведущим поставщиком кремниевых фотонных оптических трансиверов для дата-центров и телекоммуникаций. Cisco использует свою фотонную технологию в продуктах от 100G/400G подключаемых модулей до будущих коммутаторов с совместной упаковкой оптики. Решения Cisco выигрывают за счет внутренней разработки фотонных ИС, обеспечивающих высокую плотность и энергоэффективность. Используя кремниевую фотонику, Cisco предоставляет клиентам высокоскоростные соединения в компактных форм-факторах. В 2025 году Cisco — один из лидеров рынка по массовым поставкам кремниевой фотоники expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (США): IBM имеет долгую историю исследований в области оптических соединений. Команда Silicon Photonics, более десяти лет занимающаяся НИОКР, разработала высокоскоростную технологию оптических соединений для межплатных и процессорных интерфейсов expertmarketresearch.com. Исследования IBM привели к достижениям в области кремниевых микрокольцевых модуляторов, мультиплексирования по длине волны и упаковки. Хотя IBM не продает трансиверы, как Intel или Cisco, она часто сотрудничает в создании прототипов (например, IBM и Mellanox представили оптическое соединение для серверов в 2015 году). Основной акцент IBM — использование фотоники для решения вычислительных узких мест (например, процессор POWER10 использует фотонные соединения для передачи сигналов вне кристалла через партнерства). IBM также участвует в разработке стандартов и открытых исследованиях; её работы часто представлены на конференциях, таких как OFC и CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (США): NeoPhotonics (теперь часть Lumentum с 2022 года) специализируется на лазерах и фотонных компонентах для телекоммуникаций и дата-центров. Они разработали настраиваемые лазеры с ультра-чистым светом и высокоскоростные модуляторы. Примечательно, что NeoPhotonics представила кремниевые фотонные когерентные оптические субмодули (COSA) для связи 400G на длину волны и вела исследования в области 800G и выше expertmarketresearch.com. В составе Lumentum (крупного игрока в оптической индустрии) эта экспертиза способствует созданию следующего поколения когерентных трансиверов и подключаемых модулей для телекоммуникаций. Принадлежность к Lumentum означает, что эти кремниевые фотонные продукты могут быть интегрированы с существующим фотонным портфелем Lumentum (например, их модуляторами и усилителями на основе фосфида индия).
Hamamatsu Photonics (Япония): Лидер в области оптоэлектронных компонентов, Hamamatsu производит широкий спектр фотонных устройств (фотодиоды, фотоумножители, матрицы изображений и др.). Hamamatsu использует кремниевые технологии для производства таких изделий, как кремниевые фотодиодные матрицы и кремниевые оптические датчики expertmarketresearch.com. Хотя компания не так сильно сосредоточена на высокоскоростных трансиверах, работа Hamamatsu в области кремниевой фотоники имеет ключевое значение для сенсорики и научных приборов. Они поставляют кремниевые PIN-фотодиоды, АПД и чипы оптических датчиков, которые являются основой для оптических приемников связи и детекторов LiDAR. Их экспертиза в области малошумной, высокочувствительной фотоники дополняет цифровую коммуникационную часть кремниевой фотоники.
STMicroelectronics (Швейцария/Европа): STMicro — крупный производитель полупроводников, который развил собственные мощности в области кремниевой фотоники. Основное направление STMicro — интегрированные решения для визуализации и сенсорики — например, они производили кремниевые фотонные чипы для волоконно-оптических гироскопов и участвовали в НИОКР по оптическим соединениям в европейских консорциумах. Современные фабрики и MEMS-технологии STMicro хорошо подходят для кремниевой фотоники, требующей интеграции с другими датчиками или электроникой expertmarketresearch.com. Такие страны, как Франция и Италия (где у ST крупные предприятия), поддерживают фотонику через различные инициативы, и ST часто является их партнером. Также ходят слухи, что компания поставляет некоторые кремниевые фотонные компоненты для промышленности и автомобильных систем.
GlobalFoundries (США) и TSMC (Тайвань): Эти контрактные производители чипов также создали предложения в области кремниевой фотоники. GlobalFoundries известна своим 45-нм процессом кремниевой фотоники (GF 45CLO) и сотрудничеством со стартапами, такими как Ayar Labs, для производства оптических чипов ввода-вывода. TSMC действует более скрытно, но, по сообщениям, работает с крупными технологическими компаниями над созданием фотонных интегральных чипов (например, некоторые слухи об Apple указывают на участие TSMC в фотонных датчиках). Обе компании играют ключевую роль в масштабировании производства — наличие крупных фабрик позволяет любой безфабричной компании проще получать прототипы и серийные партии фотонных чипов. На самом деле, вовлечение таких фабрик — сильный признак того, что кремниевая фотоника становится мейнстримом.
Infinera (США) и Coherent/II-VI (США): Infinera — производитель телекоммуникационного оборудования, который одним из первых начал использовать фотонные интегральные схемы (правда, на основе фосфида индия). Позже они также начали применять кремниевую фотонику в некоторых продуктах или для совместной упаковки с их InP PIC. Coherent (которая приобрела Finisar и позже взяла имя Coherent) глубоко вовлечена в производство оптических компонентов; у них есть собственные фабрики InP, но они также разрабатывают кремниевые фотонные трансиверы для дата-центров optics.org. Эти компании придают кремниевой фотонике телеком-уровень надежности и производительности, заставляя её соответствовать требованиям операторского класса (например, модули 400ZR для когерентных линий связи на расстоянии).
Ayar Labs, Lightmatter и стартапы: Волна инновационных стартапов продвигает кремниевую фотонику в новые области. Мы уже обсуждали Ayar Labs (оптический ввод-вывод для ИИ/ВВП) и Lightmatter (оптические вычисления). К другим относятся Lightelligence (ещё один стартап по оптическим ИИ-чипам), Luminous Computing (интеграция фотоники и электроники для ИИ), Celestial AI (оптические сети для вычислительных кластеров), OpenLight (совместное предприятие, предлагающее открытую фотонную платформу с интегрированными лазерами) и Rockley Photonics (ориентирована на сенсоры для здоровья, сейчас в основном приобретена Celestial). Эти стартапы выделяются своими амбициозными подходами — например, 3D-интегрированное фотонное тензорное ядро Lightmatter или попытка Luminous создать полнофункциональный фотонный компьютер. Они часто сотрудничают с крупными компаниями (например, HPE объединилась с Ayar Labs для использования оптических соединений в межсоединительной структуре суперкомпьютера nextplatform.com). Стартап-сцена очень активна, и их присутствие заставляет лидеров рынка двигаться быстрее. Один из отраслевых наблюдателей отметил, что наряду с Ayar такие компании, как Lightmatter и Celestial AI, «все имеют шанс добиться успеха, поскольку кремниевая фотоника становится мостом между вычислительными движками и межсоединениями». nextplatform.com
Академические и исследовательские институты: Со стороны институтов ведущие университеты и национальные лаборатории играют ключевую роль в развитии кремниевой фотоники. Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (UCSB) под руководством профессора Джона Бауэрса является лидером, разрабатывая гибридные кремниевые лазеры и лазеры на квантовых точках на кремнии. MIT, Стэнфорд, Колумбийский университет (группа профессора Михал Липсон) и Калтех — другие центры исследований кремниевой фотоники в США, работающие над всем: от новой физики модуляторов до архитектур фотонных вычислений. В Европе IMEC в Бельгии ведет известную программу по кремниевой фотонике и сервис многопроектных пластин (iSiPP), а Университет Саутгемптона, Технический университет Эйндховена, EPFL и другие имеют сильные исследовательские группы. Институт AIM Photonics в США (упомянутый выше) объединяет многие из этих университетов и компаний для совместной работы и предоставляет национальные производственные мощности. Государственные лаборатории, такие как MIT Lincoln Lab и IMEC, даже продемонстрировали сложные интегрированные фотонные системы для обороны (например, оптические фазированные решетки для LiDAR). Кроме того, международные коллаборации и конференции (такие как Optical Fiber Conference, ISSCC, встречи IEEE Photonics Society) позволяют этим институтам делиться достижениями. Отрасль выигрывает от развитого взаимодействия между академией и индустрией: многие основатели стартапов и лидеры отрасли прошли обучение в этих лабораториях, а продолжающиеся академические исследования продолжают расширять границы (например, интеграция новых материалов или квантовая фотоника, как упоминалось выше).

Все эти участники — крупные технологические компании, специализированные производители компонентов, амбициозные стартапы и передовые исследовательские лаборатории — формируют богатую экосистему, которая совместно продвигает кремниевую фотонику вперед. Конкуренция и сотрудничество между ними ускоряют инновации. Примечательно, что даже геополитика играет роль: существует понимание гонки между США, Европой и Китаем за лидерство в фотонных технологиях csis.org, учитывая их стратегическую важность для связи и вычислений. Это привело к увеличению государственных инвестиций (например, PhotonHub в ЕС и национальные инициативы по фотонике в Китае). Для обычного энтузиаста технологий главный вывод в том, что по всему миру множество умных людей и серьезных ресурсов вкладываются в то, чтобы наши будущие чипы могли обмениваться данными с помощью света.

Мнения экспертов и цитаты

На протяжении развития кремниевой фотоники эксперты в этой области делились мнениями, которые помогают понять ее влияние. Вот несколько примечательных высказываний:

О парадигмальном сдвиге в кремниевой фотонике: «Я часто описываю кремниевую фотонику как не просто поэтапное улучшение — это парадигмальный сдвиг», — говорит Рене Йонкер, руководитель компании Soitec, подчеркивая, что в отличие от медных соединений, которые достигают своих пределов, оптические соединения обеспечивают устойчивый способ справляться с растущими требованиями к передаче данных. Хотя еще остаются задачи по снижению стоимости и масштабированию производства, преимущества — «большая пропускная способность, меньшая задержка и более низкое энергопотребление» — делают кремниевую фотонику «незаменимой частью нашей будущей инфраструктуры». laserfocusworld.com
О потреблении энергии и оптике в дата-центрах: В комментарии Laser Focus World за 2025 год подчеркивалась срочность ситуации в дата-центрах: к концу десятилетия дата-центры могут потреблять 8% электроэнергии США, если тенденции сохранятся, а это «неустойчиво при существующих электрических соединениях». Автор пришел к выводу, что «оптические соединения, реализуемые с помощью кремниевой фотоники, — единственный масштабируемый путь вперед». laserfocusworld.com Другими словами, чтобы избежать энергетического и пропускного кризиса, переход на оптические соединения — это не просто вариант, а необходимость.
О проблемах интеграции: Профессор Джон Бауэрс (UCSB), один из ведущих специалистов в области фотоники, прокомментировал самую сложную задачу: «Основная проблема — интеграция III–V материалов в кремниевую КМОП… Остаются вопросы высокой производительности, надежности, снижения стоимости и присоединения волокна. Совместная упаковка электроники и фотоники — это вызов… Но прогресс идет очень быстро». nature.com Это подчеркивает, что хотя интеграция лазеров (III–V материалов) и достижение идеальной производительности сложны, ведущие компании отрасли, такие как Intel, добиваются устойчивого прогресса, и решения уже на горизонте.
О светоизлучении в кремнии: В том же интервью Бауэрс ярко объяснил, почему для лазеров нужен материал, отличный от кремния: «Кремний невероятно плох как излучатель света. Его внутренняя квантовая эффективность составляет примерно одну миллионную, тогда как у прямозонных III–V эффективность практически 100%. Я с самого начала знал, что нам нужен прямозонный полупроводник…» nature.com. Эта откровенная оценка объясняет, почему его команда рано занялась гибридными лазерами (соединение InP с Si) — подход, который принес плоды с гибридным кремниевым лазером Intel в 2007 году и позже.
О достижении сервера с помощью оптики: Старший директор по фотонике Intel Роберт Блум показал, как оптика постепенно проникает внутрь дата-центров: «Когда вы заходите в дата-центр сегодня, вы увидите медные кабели 100 Гбит/с… этого достаточно на четыре метра. Но всё, что дальше стойки, уже использует оптику. По мере увеличения скорости до 200 или 400 Гбит/с, [дальность] медных кабелей становится намного меньше, и мы начинаем видеть тенденцию, когда оптика доходит до самого сервера.» tanaka-preciousmetals.com Эта цитата ярко отражает текущий переход — оптика неуклонно вытесняет медь от ядра сети к её краям.
О росте рынка и ИИ: «Рост ИИ вызвал беспрецедентный спрос на высокопроизводительные трансиверы… Кремниевая фотоника и ФИК находятся в авангарде этой революции», отмечает Сэм Дейл, технический аналитик IDTechX, указывая на способность кремниевой фотоники обеспечивать «скорости 1,6 Тбит/с и выше». optics.org В его отчёте прогнозируется, что рынок фотонных интегральных схем может вырасти почти в десять раз к 2035 году (до $54 млрд), в основном благодаря потребностям дата-центров для ИИ optics.org.
О будущем вычислений: Аналитики The Next Platform предсказывают, что оптические интерфейсы вскоре появятся в HPC-системах. Они отмечают, что к 2026–2027 годам мы, вероятно, увидим массовые CPU/GPU с оптическими интерфейсами, потому что «в ближайшей перспективе у нас нет выбора». В их ярком выражении, «Время меди истекло». nextplatform.com Это отражает распространённое мнение в отрасли: электрические соединения не справятся с задачами следующей эры вычислений, и фотоника должна взять на себя эту роль, чтобы не упереться в стену.

Эти мнения экспертов подчёркивают как перспективы, так и трудности кремниевой фотоники. Прослеживается единая тема: кремниевая фотоника — это преобразующая технология, обеспечивающая необходимый скачок в производительности, но она сопряжена с серьёзными технологическими вызовами, которые быстро решаются. Эксперты отмечают сочетание оптимизма (смена парадигмы, незаменимое будущее) и реализма (проблемы интеграции, вопросы стоимости и масштабирования). Их взгляды помогают широкой аудитории понять, почему так много компаний и исследователей увлечены кремниевой фотоникой, а также почему на запуск этой технологии ушли десятилетия. Услышать это из уст тех, кто на передовой — будь то опытный исследователь или менеджер по продукту — даёт понять, что это область, где физика, инженерия и рыночные силы пересекаются самым интересным образом.

Будущее и прогнозы

Смотря вперёд, будущее кремниевой фотоники выглядит чрезвычайно многообещающим, с потенциалом переопределить вычисления и коммуникации в течение следующего десятилетия. Вот некоторые прогнозы и ожидания относительно того, что нас ждёт:

Широкое внедрение в вычислениях: К концу 2020-х можно ожидать, что кремниевая фотоника станет стандартной функцией в высокопроизводительных вычислительных системах. Как отмечалось, к 2026–2027 годам должны появиться первые CPU, GPU или AI-ускорители с интегрированным оптическим вводом-выводом nextplatform.com. Изначально они могут появиться в специализированных сегментах (суперкомпьютеры, системы для высокочастотного трейдинга, передовые AI-кластеры), но это проложит путь к более широкому внедрению. Как только технология докажет свою состоятельность и объёмы вырастут, оптический ввод-вывод может распространиться и на более массовые серверы и устройства в 2030-х годах. Представьте себе серверные стойки, где у каждого CPU есть оптические порты прямо на корпусе, соединяющиеся с оптическим коммутатором верхнего уровня; это может стать обычным явлением. Узкое место памяти также может быть решено с помощью оптических соединений — например, для оптического подключения модулей памяти к процессорам, чтобы обеспечить большую пропускную способность на расстоянии (некоторые исследователи говорят об «оптической дезагрегации памяти» для создания больших общих пулов памяти). В целом, дата-центр будущего (а значит, и облачные сервисы будущего) скорее всего будет построен на оптической межсоединительной структуре на всех уровнях, благодаря кремниевой фотонике.
Терабитные сети для всех: Пропускная способность сетевых соединений продолжит стремительно расти. Речь идет о 1,6 Тбит/с, 3,2 Тбит/с, даже 6,4 Тбит/с оптических трансиверах в одном модуле к началу 2030-х годов. Эти скорости поражают воображение — соединение 3,2 Тбит/с может передать фильм в 4K за долю миллисекунды. Хотя такие скорости будут использоваться в магистралях дата-центров и телекоммуникационных сетях, косвенно они принесут пользу и потребителям (более быстрый интернет, более надежные облачные сервисы). К 2035 году аналитики прогнозируют, что рынок фотонных интегральных схем достигнет $50+ миллиардов, в основном благодаря этим трансиверам для ИИ и дата-центров optics.org. Мы можем увидеть, как 800G и 1.6T станут новыми 100G, то есть они станут основными рабочими каналами в сетях. А с ростом объема стоимость передачи одного бита будет снижаться, делая высокоскоростное подключение дешевле и более повсеместным. Вполне возможно, что даже потребительские устройства (например, VR-гарнитура, требующая очень высокоскоростного соединения с ПК или консолью) смогут использовать оптический USB или оптический Thunderbolt-кабель для передачи десятков или сотен гигабит без задержек и потерь.
Революция в телекоммуникациях: В телеком-сфере кремниевая фотоника поможет реализовать полностью оптические сети с гораздо большей эффективностью. Когерентная оптическая связь с интегрированной фотоникой, вероятно, масштабируется до более 1 Тбит/с на длину волны (с использованием продвинутых созвездий и, возможно, интегрированных DSP в трансиверах). Это может сделать многотерабитные оптические каналы экономически выгодными, сокращая количество необходимых лазеров/волокон. Кремниевая фотоника также сделает переконфигурируемые оптические мультиплексоры с добавлением/выбором каналов (ROADM) и другое сетевое оборудование более компактным и энергоэффективным, что, в свою очередь, упростит внедрение сетей 5G/6G с большей пропускной способностью и улучшит инфраструктуру оптоволокна до дома. Одна из конкретных областей для наблюдения — это интегрированные лазеры для кабельного ТВ/оптоволоконного доступа: дешевые перестраиваемые лазеры на кремнии могут позволить каждому дому иметь симметричное оптоволоконное соединение на 100G, например. Интегрируя оптические функции, операторы связи могут упростить центральные офисы и головные станции. В итоге это приведет к еще более быстрым и надежным интернет-сервисам по потенциально более низкой цене, при этом за кулисами будут работать кремниевые фотонные чипы.
ИИ-вычисления и оптические движки: В сфере ИИ, если компании вроде Lightmatter и Lightelligence добьются успеха, мы можем стать свидетелями появления первых оптических сопроцессоров в дата-центрах. Они будут ускорять матричные умножения или графовые аналитики с помощью света, потенциально обеспечивая скачок производительности на ватт. Вполне возможно, что в течение 5 лет некоторые дата-центры будут иметь стойки с оптическими ИИ-ускорителями наряду с GPU, выполняя специализированные задачи с огромной скоростью (например, сверхбыстрый инференс для сервисов в реальном времени). Даже если полностью оптические компьютеры останутся в чем-то ограниченными, гибридный электро-оптический подход (электроника для логики и управления, фотоника для передачи данных и операций умножения-накопления) может стать ключевой стратегией для дальнейшего роста производительности ИИ. Снижая тепловыделение и энергопотребление, фотоника поможет сделать обучение ИИ возможным по мере роста моделей до триллионов параметров. Проще говоря, кремниевая фотоника может стать тем самым секретным ингредиентом, который позволит увеличить размер моделей ИИ и объем обучающих данных в 1000 раз без перегрузки энергосистемы.
Влияние на потребительские технологии: Хотя большая часть кремниевой фотоники сейчас используется в крупных вычислительных центрах (дата-центры, сети), со временем она дойдет и до потребительских устройств. Один из очевидных кандидатов — AR/VR-гарнитуры (где нужно передавать огромные объемы данных на миниатюрные дисплеи и камеры — оптические соединения могут помочь). Другой пример — потребительские LiDAR или датчики глубины: будущие смартфоны или носимые устройства могут получить миниатюрные кремниевые фотонные сенсоры для мониторинга здоровья (как планировала компания Rockley Photonics) или для 3D-сканирования окружающей среды. Компания Mobileye от Intel уже заявила, что ее кремниевые фотонные LiDAR появятся в автомобилях, так что к концу 2020-х ваш новый автомобиль может получить интегрированный фотонный чип, незаметно управляющий датчиками автономного вождения tanaka-preciousmetals.com. Со временем, по мере снижения стоимости, такие сенсоры могут появиться и в повседневных устройствах (представьте себе умные часы, использующие кремниевый фотонный сенсор для неинвазивного мониторинга глюкозы или анализа крови с помощью оптической спектроскопии прямо на запястье — компании действительно работают над этой концепцией). Даже в премиальном аудио/видео оптические чипы могут улучшить камеры (LiDAR для фокусировки или 3D-картирования в фотографии) или позволить голографические дисплеи, модулируя свет на микроскопическом уровне (это пока спекуляция, но не исключено, поскольку пространственные модуляторы света на кремнии совершенствуются). Так что через десятилетие потребители могут даже не подозревать, что используют кремниевую фотонику в своих гаджетах — так же, как сегодня мы повсеместно используем MEMS-датчики, не задумываясь об этом.
Фотоника в квантовой области: Если заглянуть еще дальше в будущее, квантовые фотонные технологии могут достичь зрелости. Если PsiQuantum или другие компании добьются успеха, мы можем получить фотонный квантовый компьютер, превосходящий классические суперкомпьютеры для определённых задач — возможно, с миллионами спутанных фотонов, обрабатываемых на чипе. Это было бы грандиозным достижением, пожалуй, столь же преобразующим, как и первые электронные компьютеры. Хотя это, возможно, случится после 2030 года, прогресс в ближайшие годы может привести к появлению квантовых симуляторов или сетевых квантовых коммуникационных систем на основе кремниевой фотоники. Например, защищённые квантовые коммуникационные линии (QKD-сети) могут быть развернуты в масштабах города с использованием стандартных кремниевых фотонных QKD-передатчиков в дата-центрах. Также есть потенциал для квантовых сенсоров на чипе (например, оптических гироскопов с квантовой чувствительностью), которые найдут применение в навигации или науке.
Продолжение исследований и новые горизонты: Сама область кремниевой фотоники будет продолжать развиваться. Исследователи уже изучают 3D-интеграцию — укладку фотонных чипов вместе с электронными для ещё более тесной связи (некоторые исследуют микросоединения или технологии склеивания, чтобы, например, разместить фотонный интерпозер под процессором). Также обсуждается оптическая сеть на кристалле (ONoC), когда вместо или в дополнение к электрическим сетям-на-кристалле процессоры используют свет для связи между ядрами. Если когда-нибудь многоядерные процессоры будут использовать внутренние оптические сети, это может устранить узкие места по пропускной способности внутри чипа (это перспектива более отдалённая, но концепция уже доказана в лабораториях). Нанофотоника также может сыграть свою роль: плазмонные или наноразмерные оптические компоненты, работающие на очень высоких скоростях или с крайне малым размером, потенциально интегрированные с кремниевой фотоникой для определённых задач (например, сверхкомпактные модуляторы). И кто знает, возможно, однажды кто-то добьётся святого Грааля — кремниевого лазера с помощью какой-нибудь хитрой материаловедческой уловки — что действительно упростит фотонную интеграцию.
Рынок и отраслевые перспективы: С экономической точки зрения, мы, вероятно, увидим бум рынка кремниевой фотоники. По данным IDTechX, к 2035 году ожидается, что рыночная стоимость составит около 54 миллиардов долларов optics.org. Примечательно, что, хотя наибольшую долю составят дата-коммуникации, примерно ~$11 миллиардов из этой суммы могут прийтись на не-дата-приложения (телеком, лидар, сенсоры, квантовые технологии и др.) optics.org. Это означает, что преимущества технологии будут распределены по многим секторам. Мы также можем увидеть крупные отраслевые потрясения или партнерства: например, может ли технологический гигант приобрести один из фотонных единорогов-стартапов (представьте, что Nvidia покупает Ayar Labs или Lightmatter, чтобы обеспечить лидерство в оптических вычислениях)? Это возможно, поскольку ставки растут. Более того, международная конкуренция может усилиться – мы можем увидеть значительные инвестиции со стороны государств для обеспечения лидерства (аналогично тому, как индустрия полупроводников считается стратегической). Кремниевая фотоника может стать ключевой частью национальных технологических стратегий, что дополнительно стимулирует финансирование НИОКР и развитие инфраструктуры.

В более широком смысле, если посмотреть со стороны, будущее с кремниевой фотоникой – это будущее, где границы между вычислениями и коммуникациями размываются. Расстояние становится менее ограничивающим фактором – данные могут перемещаться внутри чипа или между городами с одинаковой легкостью по оптическим каналам. Это может позволить архитектурам, таким как распределённые вычисления, где физическое расположение ресурсов мало важно, потому что оптические соединения обеспечивают низкую задержку и высокую пропускную способность. Мы можем увидеть по-настоящему дезагрегированные дата-центры, где вычисления, хранение и память соединены оптикой, как кубики LEGO. Энергоэффективность фотоники также может способствовать более экологичному ИКТ, что важно по мере роста энергопотребления цифровой инфраструктуры.

Позволю себе процитировать ветерана отрасли: «путь к масштабированию кремниевой фотоники столь же захватывающий, сколь и сложный». laserfocusworld.com В ближайшие годы, несомненно, будут препятствия, но существует коллективная решимость в академической и промышленной среде их преодолеть. Благодаря сотрудничеству и инновациям – объединяя материаловедение, полупроводниковую инженерию и фотонику – эксперты уверены, что мы справимся с этими вызовами и раскроем весь потенциал кремниевой фотоники laserfocusworld.com. Будущие перспективы таковы, что эта технология перейдет с периферии (соединяя наши устройства или дополняя специализированные системы) в самую сердцевину вычислений и связности. Мы фактически становимся свидетелями рассвета новой эры – эры, в которой свет, а не только электроны, несет жизненно важную информацию через устройства и сети, лежащие в основе современной жизни. И это действительно революционный сдвиг, который развернется в следующем десятилетии и далее.

Источники: Определения и преимущества кремниевой фотоники ansys.com ansys.com; применения в сенсорах, LiDAR, квантовых технологиях ansys.com ansys.com; тенденции в дата-центрах и ИИ laserfocusworld.com, optics.org; экспертные цитаты и мнения laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; лидеры отрасли expertmarketresearch.com; последние новости и инвестиции datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; прогнозы на будущее optics.org