Επανάσταση στη Σιλικονούχα Φωτονική – Τεχνολογία Ταχύτητας Φωτός που Μεταμορφώνει την Τεχνητή Νοημοσύνη, τα Κέντρα Δεδομένων & άλλα

Η φωτονική πυριτίου χρησιμοποιεί ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα πυριτίου (PICs) για να χειριστεί το φως για επεξεργασία και επικοινωνία δεδομένων, επιτρέποντας διασυνδέσεις εντός και μεταξύ τσιπ με ταχύτητες όπως 100 Gb/s και 400 Gb/s.
Ένα φωτονικό τσιπ πυριτίου στο μέγεθος νυχιού μπορεί να φιλοξενήσει δεκάδες κανάλια λέιζερ και, με πυκνή πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος, να μεταφέρει τερραμπίτ δεδομένων.
Οι διασυνδέσεις κέντρων δεδομένων επωφελούνται από οπτικούς συνδέσμους που καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια και προσφέρουν μεγαλύτερη πυκνότητα, με πρωτότυπα όπως τσιπ μεταγωγής 51,2 Tb/s με ενσωματωμένο οπτικό I/O να έχουν παρουσιαστεί.
Το 2024, η Ayar Labs παρουσίασε ένα οπτικό chiplet που παρέχει 8 Tbps εύρους ζώνης χρησιμοποιώντας 16 μήκη κύματος, και σε γύρο Series D στα τέλη του 2024 συγκέντρωσε $155 εκατομμύρια με συμμετοχή των Nvidia, AMD και Intel, ανεβάζοντας την αποτίμησή της πάνω από $1 δισεκατομμύριο.
Η Intel ανέθεσε την κατασκευή των πομποδεκτών φωτονικής πυριτίου στη Jabil στα τέλη του 2023, αφού είχε αποστείλει πάνω από 8 εκατομμύρια τσιπ πομποδεκτών φωτονικής από το 2016.
Η InnoLight παρουσίασε ένα πρωτότυπο οπτικού πομποδέκτη 1,6 Tbps στα τέλη του 2023, με μονάδες 3,2 Tbps να αναμένονται έως το 2026 καθώς πλησιάζουν οι συνδέσεις πολλαπλών τερραμπίτ.
Το αμερικανικό ινστιτούτο AIM Photonics έλαβε ένα πρόγραμμα $321 εκατομμυρίων για επτά χρόνια έως το 2028 για την προώθηση της κατασκευής ολοκληρωμένης φωτονικής στις ΗΠΑ, επιτρέποντας μια γραμμή παραγωγής και συσκευασίας φωτονικής πυριτίου στη Νέα Υόρκη.
Το 2023 η Broadcom παρουσίασε πρωτότυπα μεταγωγέων co-packaged optics 25,6 Tbps και 51,2 Tbps με ενσωματωμένες φωτονικές μηχανές λέιζερ.
Η Lightmatter συγκέντρωσε $400 εκατομμύρια σε γύρο Series D το 2024 για να χρηματοδοτήσει την πλατφόρμα οπτικών επιταχυντών AI, και η PsiQuantum παρουσίασε δημόσια μια διαδρομή προς έναν ανθεκτικό σε απώλειες φωτονικό κβαντικό υπολογιστή με το τσιπ Omega το 2024.
Οι αναλυτές προβλέπουν ότι η αγορά φωτονικής πυριτίου θα φτάσει περίπου τα $54 δισεκατομμύρια έως το 2035, με περίπου $11 δισεκατομμύρια από μη-δεδομενικές εφαρμογές, κυρίως λόγω των αναγκών των κέντρων δεδομένων AI.

Τι είναι η Φωτονική Πυριτίου και Πώς Λειτουργεί;

Η φωτονική πυριτίου είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί βασισμένα σε πυρίτιο ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα (PICs) για να χειριστεί το φως (φωτόνια) για επεξεργασία και επικοινωνία. Με απλά λόγια, σημαίνει την κατασκευή οπτικών συσκευών (όπως λέιζερ, διαμορφωτές και ανιχνευτές) πάνω σε τσιπ πυριτίου, παρόμοια με τον τρόπο που κατασκευάζονται τα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Αυτά τα φωτονικά τσιπ πυριτίου μπορούν να στέλνουν και να λαμβάνουν δεδομένα χρησιμοποιώντας φως, επιτρέποντας υπερταχείες μεταφορές δεδομένων με υψηλό εύρος ζώνης και χαμηλές απώλειες ενέργειας ansys.com. Βασικά εξαρτήματα περιλαμβάνουν κυματοδηγούς (μικροσκοπικά οπτικά «καλώδια» που καθοδηγούν το φως στο τσιπ), διαμορφωτές (που κωδικοποιούν δεδομένα σε δέσμες φωτός), λέιζερ (συνήθως προστίθενται μέσω άλλων υλικών αφού το πυρίτιο δεν μπορεί να εκπέμψει φως), και φωτοανιχνευτές (για να μετατρέπουν το εισερχόμενο φως πίσω σε ηλεκτρικά σήματα) ansys.com. Ενσωματώνοντας αυτά σε μια πλατφόρμα πυριτίου, οι μηχανικοί αξιοποιούν την καθιερωμένη κατασκευή ημιαγωγών (CMOS) για μαζική παραγωγή φωτονικών συσκευών, συνδυάζοντας την ταχύτητα του φωτός με την κλίμακα της σύγχρονης κατασκευής τσιπ ansys.com.

Πώς λειτουργεί; Αντί για ηλεκτρικούς παλμούς σε χάλκινους αγωγούς, τα κυκλώματα πυριτιούχου φωτονικής χρησιμοποιούν υπέρυθρο φως λέιζερ που διατρέχει κυματοδηγούς μικρομετρικής κλίμακας. Το πυρίτιο είναι διαφανές στα υπέρυθρα μήκη κύματος, επιτρέποντας στο φως να διαδίδεται με ελάχιστες απώλειες όταν περιορίζεται από περιβάλλοντα υλικά όπως το διοξείδιο του πυριτίου που έχουν χαμηλότερο δείκτη διάθλασης ansys.com ansys.com. Τα δεδομένα κωδικοποιούνται σε αυτά τα κύματα φωτός μέσω διαμορφωτών που μπορούν να αλλάζουν γρήγορα την ένταση ή τη φάση του φωτός. Στο άλλο άκρο, φωτοανιχνευτές πάνω στο τσιπ μετατρέπουν τα οπτικά σήματα ξανά σε ηλεκτρική μορφή. Επειδή το φως ταλαντώνεται σε συχνότητες πολύ υψηλότερες από τα ηλεκτρικά σήματα, οι οπτικές διασυνδέσεις μπορούν να μεταφέρουν πολλαπλάσια δεδομένα ανά δευτερόλεπτο σε σχέση με τα ηλεκτρικά καλώδια. Μια μόνο μικροσκοπική ίνα ή κυματοδηγός μπορεί να μεταδώσει δεκάδες ή εκατοντάδες gigabits ανά δευτερόλεπτο, και με τη χρήση πολλαπλών μηκών κύματος φωτός (πυκνή πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος), μια μόνο ίνα μπορεί να μεταφέρει terabits δεδομένων. Πρακτικά, η φωτονική πυριτίου επιτρέπει επικοινωνίες εντός ή μεταξύ τσιπ με ταχύτητες όπως 100 Gb/s, 400 Gb/s ή και περισσότερο, κάτι που αλλιώς θα απαιτούσε πολλές χάλκινες γραμμές ή απλώς θα ήταν ανέφικτο σε μεγαλύτερες αποστάσεις ansys.com optics.org.

Οι συσκευές φωτονικής πυριτίου είναι συμπαγείς, γρήγορες και ενεργειακά αποδοτικές. Το φως μπορεί να ταξιδεύει μέσα σε κυματοδηγούς με πολύ χαμηλή αντίσταση (χωρίς ηλεκτρική χωρητικότητα ή προβλήματα θέρμανσης που εμφανίζονται στο χαλκό σε υψηλές ταχύτητες), κάτι που σημαίνει δυνητικά χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας για τη μεταφορά δεδομένων. Μια ανάλυση σημειώνει ότι οι οπτικές διασυνδέσεις μπορούν να μειώσουν δραστικά τα σημεία συμφόρησης δεδομένων και τη θερμότητα σε συστήματα υψηλών επιδόσεων – «οι οπτικές διασυνδέσεις, που καθίστανται δυνατές από τη φωτονική πυριτίου, είναι η μόνη κλιμακούμενη λύση» για να αντιμετωπιστούν οι εκρηκτικές απαιτήσεις εύρους ζώνης laserfocusworld.com. Με λίγα λόγια, η φωτονική πυριτίου συνδυάζει την οικονομική, μαζικής παραγωγής πλατφόρμα τσιπ πυριτίου με τη φυσική του φωτός, δημιουργώντας «κυκλώματα για φωτόνια» πάνω σε τσιπ ansys.com. Αυτή η τεχνολογία μας επιτρέπει να μετακινούμε κυριολεκτικά δεδομένα με την ταχύτητα του φωτός σε περιβάλλοντα όπου τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά φτάνουν στα όριά τους.

Βασικές Εφαρμογές της Φωτονικής Πυριτίου

Η φωτονική πυριτίου ξεκίνησε στις οπτικές επικοινωνίες μέσω οπτικών ινών, αλλά σήμερα αποτελεί μια πολυδύναμη πλατφόρμα που βρίσκει εφαρμογές σε πολλούς πρωτοποριακούς τομείς. Λόγω της υψηλής ταχύτητας και ενεργειακής απόδοσης, κάθε τομέας που χρειάζεται να διακινεί τεράστιες ποσότητες δεδομένων (ή να ελέγχει το φως με ακρίβεια) είναι υποψήφιος. Ακολουθούν μερικές από τις βασικές εφαρμογές:

Κέντρα Δεδομένων και Δίκτυα Υψηλής Ταχύτητας στο Cloud

Μία από τις πιο σημαντικές εφαρμογές είναι μέσα στα κέντρα δεδομένων και τους υπερυπολογιστές, όπου η πυριτιούχος φωτονική αντιμετωπίζει την επείγουσα ανάγκη για ταχύτερες, πιο αποδοτικές διασυνδέσεις. Τα σύγχρονα cloud και hyperscale data centers διαχειρίζονται τεράστιες ροές δεδομένων μεταξύ διακομιστών, ραφιών και σε ολόκληρα δίκτυα campus. Τα καλώδια χαλκού και οι παραδοσιακοί ηλεκτρικοί διακόπτες αποτελούν όλο και περισσότερο σημείο συμφόρησης – καταναλώνουν υπερβολική ενέργεια και δεν μπορούν να κλιμακωθούν πέρα από ορισμένες αποστάσεις ή ταχύτητες (για παράδειγμα, οι συνδέσεις χαλκού 100 Gb/s λειτουργούν μόνο για λίγα μέτρα). Οι διασυνδέσεις πυριτιούχου φωτονικής λύνουν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες και ενσωματωμένες οπτικές μηχανές για τη σύνδεση διακομιστών και διακοπτών σε πολύ υψηλές ταχύτητες με ελάχιστες απώλειες. Optical transceivers βασισμένοι στην πυριτιούχο φωτονική ήδη αντικαθιστούν ή ενισχύουν τις ηλεκτρικές συνδέσεις για επικοινωνία μεταξύ ραφιών και ακόμη και εντός του ίδιου ραφιού tanaka-preciousmetals.com.

Η Cisco και η Intel υπήρξαν πρωτοπόροι εδώ: Η Cisco πλέον σχεδιάζει υψηλής ταχύτητας αποσπώμενους οπτικούς πομποδέκτες χρησιμοποιώντας φωτονική πυριτίου για τη σύνδεση εξοπλισμού δικτύωσης expertmarketresearch.com. Η Intel επίσης έχει αξιοποιήσει τη φωτονική πυριτίου για να ενισχύσει τη συνδεσιμότητα των κέντρων δεδομένων, αποστέλλοντας εκατομμύρια τσιπ οπτικών πομποδεκτών 100G και πλέον αυξάνει την παραγωγή σε 200G, 400G, και δοκιμάζει δείγματα οπτικών μονάδων 800G tanaka-preciousmetals.com. Το κίνητρο είναι σαφές – καθώς οι ταχύτητες δεδομένων διπλασιάζονται από 100G σε 200G και 400G, η εμβέλεια του χαλκού μειώνεται δραματικά. «Όταν μπαίνετε σε ένα datacenter σήμερα, θα δείτε καλώδια χαλκού 100 Gb/s να συνδέουν τους servers με το switch κορυφής του rack… Αυτά τα καλώδια είναι εντάξει για περίπου τέσσερα μέτρα. Αλλά οτιδήποτε πέρα από το rack χρησιμοποιεί ήδη οπτικά,» σημειώνει ο Robert Blum, ανώτερος διευθυντής φωτονικής της Intel, προσθέτοντας ότι «καθώς αυξάνουμε τις ταχύτητες δεδομένων σε 200 ή 400 Gb/s, η εμβέλεια του χαλκού γίνεται πολύ μικρότερη και αρχίζουμε να βλέπουμε αυτή την τάση όπου τα οπτικά φτάνουν μέχρι τον server.» tanaka-preciousmetals.com Σε συστοιχίες υπολογιστών υψηλών επιδόσεων (HPC) και υπερυπολογιστές AI, όπου χιλιάδες επεξεργαστές χρειάζονται συνδέσεις χαμηλής καθυστέρησης, οι οπτικές διασυνδέσεις παρέχουν το εύρος ζώνης για να τροφοδοτούν όλα αυτά τα τσιπ με δεδομένα ansys.com, laserfocusworld.com. Φέρνοντας τη φωτονική επάνω στο switch και ακόμη και μέσα στα πακέτα επεξεργαστών (τα λεγόμενα co-packaged optics), τα μελλοντικά δίκτυα κέντρων δεδομένων θα επιτύχουν πολύ υψηλότερες ταχύτητες μετάδοσης. Στην πραγματικότητα, τσιπ switch 51,2 Tb/s με ενσωματωμένο οπτικό I/O βρίσκονται στον ορίζοντα, και πρωτότυπα έχουν ήδη παρουσιαστεί tanaka-preciousmetals.com.Τα οφέλη για τα κέντρα δεδομένων είναι σημαντικά: χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας (οι οπτικοί σύνδεσμοι σπαταλούν πολύ λιγότερη ενέργεια ως θερμότητα σε σύγκριση με τη μεταφορά ηλεκτρονίων μέσω χαλκού σε δεκάδες GHz), υψηλότερη πυκνότητα (πολλά οπτικά κανάλια μπορούν να πολυπλεχθούν χωρίς ανησυχία για ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές), και μεγαλύτερη εμβέλεια (τα οπτικά σήματα μπορούν να διανύσουν χιλιόμετρα αν χρειαστεί). Αυτό σημαίνει ότι η πυριτιούχος φωτονική βοηθά τα κέντρα δεδομένων να αυξήσουν την απόδοση χωρίς να περιορίζονται από τα όρια των διασυνδέσεων. Ένας αναλυτής της αγοράς σημείωσε ότι τα κέντρα δεδομένων με επίκεντρο την τεχνητή νοημοσύνη οδηγούν σε πρωτοφανή ζήτηση για οπτικούς πομποδέκτες υψηλών επιδόσεων, υποστηρίζοντας ότι «η πυριτιούχος φωτονική και τα PICs βρίσκονται στην πρώτη γραμμή αυτής της επανάστασης, με την ικανότητά τους να μεταδίδουν δεδομένα με ταχύτητες 1,6 Tbps και άνω.» optics.org Σε πρακτικούς όρους, ένα μόνο φωτονικό chip στο μέγεθος νυχιού μπορεί να περιέχει δεκάδες κανάλια λέιζερ, μεταφέροντας μαζί terabits δεδομένων – κρίσιμο για την υποδομή cloud επόμενης γενιάς.

Επιτάχυνση ΤΝ και Μηχανικής Μάθησης

Η έκρηξη των εργασιών ΤΝ και μηχανικής μάθησης αποτελεί μια ιδιαίτερη περίπτωση εφαρμογής στα κέντρα δεδομένων – αξίζει ξεχωριστή αναφορά επειδή η ΤΝ δημιουργεί μοναδικές απαιτήσεις και έχει οδηγήσει σε νέες χρήσεις της πυριτιούχου φωτονικής. Η εκπαίδευση προηγμένων μοντέλων ΤΝ (όπως τα μεγάλα γλωσσικά μοντέλα που τροφοδοτούν chatbots) περιλαμβάνει μαζικούς παράλληλους υπολογισμούς κατανεμημένους σε πολλές GPU ή εξειδικευμένους επιταχυντές ΤΝ. Αυτά τα chips χρειάζεται να ανταλλάσσουν τεράστιες ποσότητες δεδομένων για εργασίες όπως η εκπαίδευση μοντέλων, συχνά κορεσμένα από τις συμβατικές ηλεκτρικές συνδέσεις. Η πυριτιούχος φωτονική προσφέρει διπλό πλεονέκτημα στην ΤΝ: διασυνδέσεις υψηλού εύρους ζώνης και ακόμη και τη δυνατότητα οπτικού υπολογισμού.

Στην πλευρά της διασύνδεσης, αναπτύσσονται οπτικοί σύνδεσμοι για την άμεση σύνδεση τσιπ επιταχυντών AI ή μνήμης χρησιμοποιώντας φως (μερικές φορές αποκαλείται οπτικό I/O). Αντικαθιστώντας το παραδοσιακό backplane διακομιστή ή την επικοινωνία GPU-προς-GPU με οπτική ίνα, τα συστήματα AI μπορούν να μειώσουν σημαντικά την καθυστέρηση επικοινωνίας και την κατανάλωση ενέργειας. Για παράδειγμα, νεοφυείς εταιρείες όπως η Ayar Labs δημιουργούν chiplets οπτικού I/O που τοποθετούνται δίπλα στους επεξεργαστές για να μεταφέρουν δεδομένα μέσα και έξω χρησιμοποιώντας φως, εξαλείφοντας τα πυκνά δεμάτια από χάλκινες διαδρομές που διαφορετικά θα ήταν απαραίτητα. Το 2024, η Ayar Labs παρουσίασε ένα οπτικό chiplet που παρέχει 8 Tbps εύρους ζώνης χρησιμοποιώντας 16 μήκη κύματος φωτός – ένα δείγμα του πώς μπορεί να μοιάζουν οι διασυνδέσεις AI επόμενης γενιάς businesswire.com. Οι μεγάλοι κατασκευαστές τσιπ δίνουν προσοχή: η Nvidia, η AMD και η Intel επένδυσαν στην Ayar Labs ως μέρος ενός γύρου χρηματοδότησης $155 εκατομμυρίων, ποντάροντας ότι οι οπτικές διασυνδέσεις θα είναι το κλειδί για την κλιμάκωση του μελλοντικού υλικού AI nextplatform.com. Όπως σχολίασε ένας δημοσιογράφος, αν δεν μπορείς να πετύχεις αρκετή ταχύτητα απλώς κάνοντας τα τσιπ γρηγορότερα, «το επόμενο καλύτερο πράγμα για να επενδύσεις τα χρήματά σου είναι πιθανότατα κάποια μορφή οπτικού I/O.» nextplatform.com

Πέρα από τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ τσιπ AI, η πυριτιούχος φωτονική επιτρέπει επίσης την οπτική υπολογιστική για AI. Αυτό σημαίνει την εκτέλεση ορισμένων υπολογισμών (όπως οι πολλαπλασιασμοί μητρώων σε νευρωνικά δίκτυα) χρησιμοποιώντας φως αντί για ηλεκτρισμό, κάτι που θα μπορούσε ενδεχομένως να παρακάμψει ορισμένους από τους περιορισμούς ταχύτητας και ενέργειας των σημερινών ηλεκτρονικών επιταχυντών AI. Εταιρείες όπως η Lightmatter και η Lightelligence έχουν κατασκευάσει πρωτότυπους φωτονικούς επεξεργαστές που χρησιμοποιούν παρεμβολή φωτός σε κυματοδηγούς πυριτίου για να υπολογίζουν αποτελέσματα παράλληλα. Στα τέλη του 2024, η Lightmatter συγκέντρωσε εντυπωσιακά $400 εκατομμύρια σε γύρο Series D (ανεβάζοντας την αποτίμησή της στα $4,4 δισεκατομμύρια) για να προωθήσει την τεχνολογία οπτικής υπολογιστικής της nextplatform.com. Αν και βρίσκονται ακόμα σε αρχικό στάδιο, αυτοί οι φωτονικοί επιταχυντές AI υπόσχονται εξαιρετικά γρήγορη, χαμηλής καθυστέρησης εκτέλεση νευρωνικών δικτύων με πολύ χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, καθώς τα φωτόνια παράγουν ελάχιστη θερμότητα σε σύγκριση με τα δισεκατομμύρια γεγονότα μεταγωγής τρανζίστορ.

Συνολικά, καθώς τα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης (AI) αυξάνονται σε μέγεθος και πολυπλοκότητα (και απαιτούν συστοιχίες δεκάδων χιλιάδων chips), η πυριτιούχος φωτονική θεωρείται «αλλαγή παραδείγματος» που μπορεί να ξεπεράσει τα εμπόδια επικοινωνίας στην υποδομή AI laserfocusworld.com. Προσφέρει έναν τρόπο να κλιμακωθεί το εύρος ζώνης μεταξύ των επεξεργαστών γραμμικά με τη ζήτηση, κάτι που οι ηλεκτρικές συνδέσεις δυσκολεύονται να επιτύχουν. Παρατηρητές της βιομηχανίας προβλέπουν ότι οι οπτικές τεχνολογίες (όπως η συνεσυσκευασμένη οπτική, οι οπτικοί σύνδεσμοι chip-to-chip και ενδεχομένως τα φωτονικά υπολογιστικά στοιχεία) θα γίνουν το πρότυπο στα συστήματα AI τα επόμενα χρόνια – και όχι απλώς ένα πειραματικό niche. Μάλιστα, σύμφωνα με μία εκτίμηση, τα data centers AI θα αυξάνονται τόσο γρήγορα (50% CAGR στην κατανάλωση ενέργειας) που μέχρι το 2030 θα μπορούσαν να είναι μη βιώσιμα με τα υπάρχοντα ηλεκτρικά I/O, καθιστώντας την πυριτιούχο φωτονική «αναπόσπαστο μέρος της μελλοντικής μας υποδομής» για να διατηρηθεί η κλιμάκωση της AI laserfocusworld.com.

Τηλεπικοινωνίες και Δικτύωση

Η πυριτιούχος φωτονική έχει τις ρίζες της στις τηλεπικοινωνίες και συνεχίζει να φέρνει επανάσταση στον τρόπο που μεταδίδουμε δεδομένα σε μεγάλες αποστάσεις. Στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα οπτικών ινών – είτε πρόκειται για τη ραχοκοκαλιά του Διαδικτύου, τα υποθαλάσσια καλώδια ή τα μητροπολιτικά και δίκτυα πρόσβασης – η ολοκληρωμένη φωτονική χρησιμοποιείται για την κατασκευή οπτικών transceivers που είναι μικρότερα, ταχύτερα και φθηνότερα. Τα παραδοσιακά συστήματα οπτικής επικοινωνίας βασίζονταν συχνά σε διακριτά εξαρτήματα (lasers, modulators, detectors συναρμολογημένα μεμονωμένα), αλλά η ολοκλήρωση πυριτιούχου φωτονικής μπορεί να τοποθετήσει πολλά από αυτά τα εξαρτήματα σε ένα chip, βελτιώνοντας την αξιοπιστία και μειώνοντας το κόστος συναρμολόγησης tanaka-preciousmetals.com.

Σήμερα, τα οπτικά τρανσίβερ modules που χρησιμοποιούν σιλικονούχα φωτονική είναι συνηθισμένα στις διασυνδέσεις κέντρων δεδομένων και υιοθετούνται όλο και περισσότερο στις τηλεπικοινωνιακές υποδομές για 100G, 400G και παραπάνω. Για παράδειγμα, εταιρείες όπως η Infinera και η Cisco (Acacia) έχουν αναπτύξει συνεκτικά οπτικά τρανσίβερ χρησιμοποιώντας σιλικονούχα φωτονική για συνδέσεις 400G και 800G σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Τα ευρυζωνικά & 5G/6G ασύρματα δίκτυα επίσης επωφελούνται – οι οπτικές ίνες που συνδέουν τους κυψελοειδείς πύργους ή μεταφέρουν δεδομένα fronthaul/backhaul μπορούν να γίνουν πιο αποδοτικές με τη σιλικονούχα φωτονική. Η Intel έχει τονίσει ότι η σιλικονούχα φωτονική θα παίξει ρόλο στις «αναπτύξεις επόμενης γενιάς 5G με μικρότερες διαστάσεις και υψηλότερες ταχύτητες, από 100G σήμερα σε 400G και παραπάνω αύριο» expertmarketresearch.com. Η δυνατότητα ενσωμάτωσης δεκάδων μηκών κύματος λέιζερ σε ένα chip είναι χρήσιμη για συστήματα πυκνής πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (DWDM), τα οποία χρησιμοποιούν οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι για να χωρέσουν περισσότερα κανάλια σε κάθε ίνα. Το 2023, μια κινεζική εταιρεία, η InnoLight, παρουσίασε ακόμη και ένα οπτικό τρανσίβερ 1,6 Tb/s (χρησιμοποιώντας πολλαπλά μήκη κύματος και προηγμένη διαμόρφωση) – ένα σημάδι ότι οι οπτικές συνδέσεις πολλαπλών terabit είναι κοντά στον ορίζοντα optics.org.

Μια άλλη εφαρμογή δικτύωσης είναι στον πυρήνα του δρομολογητή και του εξοπλισμού μεταγωγής. Οι high-end δρομολογητές και οι πλατφόρμες οπτικής μεταγωγής αρχίζουν να χρησιμοποιούν σιλικονούχα φωτονικά κυκλώματα για λειτουργίες όπως οπτική μεταγωγή, δρομολόγηση σήματος και ακόμη και φιλτράρισμα μήκους κύματος εντός chip. Για παράδειγμα, έχουν πρωτοτυπηθεί μεγάλα σιλικονούχα φωτονικά switch fabrics που χρησιμοποιούν σιλικονούχα MEMS ή θερμο-οπτικά φαινόμενα για να αλλάζουν τα μονοπάτια του φωτός γρήγορα, επιτρέποντας ενδεχομένως πλήρως οπτική μεταγωγή κυκλωμάτων. Αυτά θα μπορούσαν τελικά να χρησιμοποιηθούν σε δίκτυα κέντρων δεδομένων για οπτική αναδιαμόρφωση των συνδέσεων σε πραγματικό χρόνο (η Google έχει υπαινιχθεί τη χρήση οπτικών διακοπτών σε ορισμένα από τα AI clusters της) nextplatform.com.

Συνολικά, στις τηλεπικοινωνίες οι στόχοι είναι υψηλότερη χωρητικότητα και χαμηλότερο κόστος ανά bit. Η πυριτιούχος φωτονική συμβάλλει επεκτείνοντας τη χωρητικότητα της οπτικής ίνας (100G → 400G → 800G και 1,6T ανά μήκος κύματος) και μειώνοντας το κόστος κατασκευής μέσω διαδικασιών CMOS fab. Είναι ενδεικτικό ότι το τμήμα πυριτιούχου φωτονικής της Intel, πριν αναδιαρθρωθεί, διέθεσε πάνω από 8 εκατομμύρια chips φωτονικών transceiver από το 2016 έως το 2023 για χρήση σε data centers και δίκτυα optics.org. Και οι βιομηχανικές συνεργασίες αυξάνονται: για παράδειγμα, η Intel στα τέλη του 2023 ανακοίνωσε ότι θα μεταφέρει την παραγωγή transceiver της στη Jabil (κατασκευαστής κατά παραγγελία) για περαιτέρω κλιμάκωση της παραγωγής optics.org. Παράλληλα, κολοσσοί οπτικών εξαρτημάτων όπως η Coherent (πρώην II-VI) και παραδοσιακοί προμηθευτές τηλεπικοινωνιών (Nokia, Ciena, κ.ά.) επενδύουν όλοι στην πυριτιούχο φωτονική για οπτικές μονάδες επόμενης γενιάς optics.org. Η τεχνολογία αυτή γίνεται θεμέλιος λίθος τόσο της φυσικής υποδομής του Διαδικτύου όσο και του ταχέως εξελισσόμενου οικοσυστήματος 5G/6G επικοινωνιών.

Αισθητήρες και LiDAR

Η πυριτιούχος φωτονική δεν αφορά μόνο τις επικοινωνίες – επιτρέπει επίσης νέου τύπου αισθητήρες αξιοποιώντας τον ακριβή έλεγχο του φωτός πάνω στο chip. Ένας συναρπαστικός τομέας είναι η βιοχημική και περιβαλλοντική ανίχνευση. Οι πυριτιούχοι φωτονικοί αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν ελάχιστες αλλαγές στον δείκτη διάθλασης ή στην απορρόφηση όταν ένα δείγμα (όπως μια σταγόνα αίματος ή χημικός ατμός) αλληλεπιδρά με μια καθοδηγούμενη δέσμη φωτός. Για παράδειγμα, ένα πυριτιούχο φωτονικό chip μπορεί να έχει έναν μικροσκοπικό δακτυλιοειδή συντονιστή ή συμβολόμετρο που μετατοπίζει τη συχνότητα όταν συγκεκριμένα μόρια προσδένονται σε αυτό. Αυτό επιτρέπει ανίχνευση τύπου “εργαστήριο σε chip” για βιοδείκτες – πρωτεΐνες, DNA, αέρια κ.λπ. – με υψηλή ευαισθησία και ενδεχομένως χαμηλό κόστος. Τέτοιοι φωτονικοί βιοαισθητήρες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για ιατρική διάγνωση, περιβαλλοντική παρακολούθηση ή ακόμα και εφαρμογές “τεχνητής μύτης” optics.org optics.org. Τα πλεονεκτήματα της μικρογραφίας και ενσωμάτωσης είναι καθοριστικά: ένα μόνο chip πυριτιούχου φωτονικού αισθητήρα θα μπορούσε να ενσωματώνει πηγές φωτός, στοιχεία ανίχνευσης και φωτοανιχνευτές, προσφέροντας έναν συμπαγή, ανθεκτικό αισθητήρα αντί για ογκώδη οπτικά εργαστηριακά όργανα. Η έρευνα στην πυριτιούχο φωτονική νιτριδίου του πυριτίου (μια παραλλαγή που λειτουργεί καλύτερα για ορατά μήκη κύματος) ανοίγει ακόμη περισσότερες εφαρμογές ανίχνευσης, καθώς το SiN μπορεί να καθοδηγεί ορατό φως για ανίχνευση φθορισμού ή σημάτων Raman που το καθαρό πυρίτιο δεν μπορεί.

Μια άλλη ταχέως αναπτυσσόμενη εφαρμογή είναι το LiDAR (Light Detection and Ranging) για αυτόνομα οχήματα, drones και ρομποτική. Τα συστήματα LiDAR εκπέμπουν παλμούς λέιζερ και μετρούν το ανακλώμενο φως για να χαρτογραφήσουν αποστάσεις – ουσιαστικά “3D όραση με λέιζερ”. Οι παραδοσιακές μονάδες LiDAR βασίζονται συχνά σε μηχανική σάρωση και διακριτούς λέιζερ/ανιχνευτές, κάτι που τα καθιστά ακριβά και σχετικά ογκώδη. Η φωτονική πυριτίου προσφέρει έναν τρόπο να κατασκευαστεί το LiDAR σε ένα τσιπ: ενσωματώνοντας στοιχεία κατεύθυνσης δέσμης, διαχωριστές, διαμορφωτές και ανιχνευτές μονολιθικά. Ένα φωτονικό LiDAR πυριτίου μπορεί να χρησιμοποιεί στερεάς κατάστασης κατεύθυνση δέσμης (για παράδειγμα, οπτικές φασικές συστοιχίες) για να σαρώνει το περιβάλλον χωρίς κινούμενα μέρη. Αυτό μειώνει δραστικά το μέγεθος και το κόστος των μονάδων LiDAR. Μάλιστα, η Mobileye της Intel έχει δηλώσει ότι χρησιμοποιεί ολοκληρωμένα κυκλώματα φωτονικής πυριτίου στους αισθητήρες LiDAR επόμενης γενιάς για αυτόνομη οδήγηση γύρω στο 2025 tanaka-preciousmetals.com. Μια τέτοια ενσωμάτωση θα μπορούσε να μειώσει το κόστος του LiDAR και να επιτρέψει τη μαζική υιοθέτηση στα αυτοκίνητα. Το LiDAR με βάση τη φωτονική πυριτίου μπορεί επίσης να επιτύχει ταχύτερη σάρωση και υψηλότερη ανάλυση αξιοποιώντας πολλαπλά μήκη κύματος ή τεχνικές συνεκτικής ανίχνευσης ενσωματωμένες στο τσιπ. Ως πρόσθετο όφελος, αυτές οι ολοκληρωμένες λύσεις τείνουν να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια – ένας σημαντικός παράγοντας για τα ηλεκτρικά οχήματα.

Σύμφωνα με την Ansys, “οι λύσεις LiDAR με φωτονική πυριτίου είναι πιο συμπαγείς, καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια και είναι φθηνότερες στην κατασκευή από τα συστήματα που κατασκευάζονται από διακριτά εξαρτήματα.” ansys.com Αυτό συνοψίζει εύστοχα γιατί εταιρείες από startups μέχρι τεχνολογικούς κολοσσούς αγωνίζονται να αναπτύξουν φωτονικό LiDAR. Ήδη βλέπουμε πρωτότυπα FMCW LiDAR (LiDAR συνεχούς κύματος με διαμόρφωση συχνότητας), το οποίο απαιτεί ευαίσθητα φωτονικά κυκλώματα όπως ρυθμιζόμενα λέιζερ και συμβολόμετρα. Η φωτονική πυριτίου είναι μια φυσική πλατφόρμα για αυτό, και οι ειδικοί προβλέπουν ότι τα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα θα είναι το κλειδί για να καταστεί το FMCW LiDAR βιώσιμο σε μεγάλη κλίμακα (λόγω της μεγάλης εμβέλειας και της αντοχής σε παρεμβολές) optics.org optics.org. Στο άμεσο μέλλον, αναμένεται αυτοκίνητα και drones εξοπλισμένα με μικρές, βασισμένες σε τσιπ μονάδες LiDAR υψηλών επιδόσεων – ένα άμεσο προϊόν της καινοτομίας στη φωτονική πυριτίου.

Πέρα από το LiDAR, άλλες εφαρμογές αισθητήρων περιλαμβάνουν γυροσκόπια και αδρανειακούς αισθητήρες (με χρήση δακτυλιοειδών λέιζερ γυροσκοπίων σε τσιπ για πλοήγηση), και φασματόμετρα (ενσωματωμένα οπτικά φασματόμετρα για χημική ανάλυση). Το κοινό στοιχείο είναι ότι η φωτονική πυριτίου φέρνει την ακρίβεια της οπτικής μέτρησης σε μια μικρογραφημένη, κατασκευάσιμη μορφή. Αυτό ανοίγει νέες δυνατότητες στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά (φανταστείτε έναν οπτικό αισθητήρα υγείας σε smartwatch), στη βιομηχανική παρακολούθηση και στα επιστημονικά όργανα.

Κβαντική Υπολογιστική και Φωτονικές Κβαντικές Τεχνολογίες

Στην αναζήτηση για κβαντικούς υπολογιστές, τα φωτόνια (σωματίδια φωτός) παίζουν έναν μοναδικό ρόλο. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια μπορούν να ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις χωρίς να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον (χρήσιμο για τη μετάδοση κβαντικής πληροφορίας), και ορισμένα σχήματα κβαντικής υπολογιστικής χρησιμοποιούν τα φωτόνια ως τα ίδια τα qubits. Η πυριτιούχος φωτονική έχει αναδειχθεί ως κορυφαία πλατφόρμα για έρευνα στην κβαντική υπολογιστική και δικτύωση.

Αρκετές νεοφυείς επιχειρήσεις και ερευνητικές ομάδες εργάζονται σε κβαντικούς υπολογιστές φωτονίων που χρησιμοποιούν φωτονικά κυκλώματα με βάση το πυρίτιο για τη δημιουργία και τον χειρισμό qubits κωδικοποιημένων στο φως. Για παράδειγμα, η PsiQuantum, μια νεοφυής επιχείρηση με σημαντική χρηματοδότηση, συνεργάζεται με ένα εργοστάσιο ημιαγωγών για να κατασκευάσει έναν κβαντικό υπολογιστή μεγάλης κλίμακας χρησιμοποιώντας χιλιάδες κανάλια qubit πυριτιούχου φωτονικής. Η ιδέα είναι να ενσωματωθούν συσκευές όπως πηγές μονοφωτονίων, διαχωριστές δέσμης, μετατοπιστές φάσης και ανιχνευτές φωτονίων σε ένα τσιπ για την εκτέλεση κβαντικής λογικής με φωτόνια. Το πλεονέκτημα της πυριτιούχου φωτονικής εδώ είναι η κλιμάκωση – επειδή βασίζεται στην κατασκευή CMOS, μπορεί κανείς (καταρχήν) να δημιουργήσει πολύπλοκα κβαντικά φωτονικά κυκλώματα με εκατοντάδες ή χιλιάδες εξαρτήματα, κάτι που είναι πολύ πιο δύσκολο σε άλλες προσεγγίσεις κβαντικού υλικού. Πράγματι, ερευνητές έδειξαν πρόσφατα τσιπ πυριτιούχου φωτονικής με χιλιάδες εξαρτήματα να λειτουργούν μαζί για χειρισμό κβαντικού φωτός nature.com.

Η πυριτιούχος φωτονική επιτρέπει επίσης την κβαντική δικτύωση – ασφαλείς επικοινωνίες με χρήση κβαντικής κατανομής κλειδιού (QKD) και διεμπλεκόμενων φωτονίων – παρέχοντας μια πλατφόρμα για συμπαγείς, σταθερούς οπτικούς κβαντικούς πομπούς και δέκτες. Επιπλέον, ορισμένες τεχνολογίες κβαντικών αισθητήρων (όπως οπτικά κβαντικά γυροσκόπια ή LiDAR μονοφωτονίων) μπορεί να χρησιμοποιούν τσιπ πυριτιούχου φωτονικής στον πυρήνα τους.

Μία σημαντική πρόκληση στην κβαντική υπολογιστική φωτονίων είναι η παραγωγή μονοφωτονίων κατά παραγγελία και η δρομολόγησή τους με χαμηλές απώλειες. Ενδιαφέρον είναι ότι οι ίδιες περιορισμοί (και λύσεις) που ισχύουν για την κλασική πυριτιούχο φωτονική ισχύουν και στην κβαντική: το πυρίτιο δεν παράγει λέιζερ εγγενώς, οπότε τα κβαντικά φωτονικά τσιπ συχνά χρησιμοποιούν ενσωματωμένες μη γραμμικές διεργασίες ή πηγές κβαντικών κουκκίδων για τη δημιουργία μονοφωτονίων, ή υβριδικά ενσωματώνουν εξειδικευμένα υλικά. Τα οφέλη είναι παρόμοια όμως – υψηλή ακρίβεια και μινιατουροποίηση. Όπως σημειώνει η έκθεση της Ansys, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν φωτόνια για υπολογισμούς, και η διαχείριση αυτών των φωτονίων με ενσωματωμένη φωτονική προσφέρει πλεονεκτήματα ταχύτητας, ακρίβειας και κόστους ansys.com. Στην πράξη, η πυριτιούχος φωτονική μπορεί να προσφέρει την σταθερότητα και δυνατότητα κατασκευής που απαιτούνται για την κλιμάκωση των κβαντικών συστημάτων από εργαστηριακά πειράματα σε πραγματικές μηχανές.

Εκτός από την υπολογιστική, οι κβαντικοί φωτονικοί αισθητήρες (όπως τα συμβολόμετρα που εκμεταλλεύονται κβαντικές καταστάσεις για επιπλέον ευαισθησία) και οι κβαντικοί γεννήτριες τυχαίων αριθμών είναι άλλοι τομείς όπου η φωτονική πυριτίου έχει σημαντικό αντίκτυπο. Ενώ η φωτονική κβαντική υπολογιστική βρίσκεται ακόμη υπό ανάπτυξη και πιθανότατα απέχει μερικά χρόνια από την ωριμότητα, η μεγάλη επένδυση σε αυτόν τον τομέα υπογραμμίζει την υπόσχεσή του. Το 2022, ένας κορυφαίος ερευνητής, ο καθηγητής John Bowers, τόνισε ότι η φωτονική πυριτίου προοδεύει ραγδαία με πολλές νέες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών, στον ορίζοντα nature.com. Είναι προβλέψιμο ότι οι πρώτοι κβαντικοί υπολογιστές μεγάλης κλίμακας μπορεί στην πραγματικότητα να είναι οπτικοί, κατασκευασμένοι σε φωτονικά τσιπ πυριτίου – ένας συναρπαστικός κύκλος που κλείνει, όπου μια τεχνολογία που αρχικά αναπτύχθηκε για τις τηλεπικοινωνίες μπορεί να επιτρέψει το επόμενο άλμα στην υπολογιστική.

Τρέχουσες Τάσεις και Εξελίξεις (2025)

Το 2025, η φωτονική πυριτίου αποκτά τεράστια δυναμική. Μια σειρά από τάσεις έχουν συγκλίνει ώστε αυτή η τεχνολογία να περάσει από τα εργαστήρια και τις εξειδικευμένες χρήσεις στο κύριο ρεύμα της τεχνολογικής βιομηχανίας:

Στενωπός Δεδομένων και Οπτικά Συμπακεταρισμένα (Co-Packaged Optics): Η αχόρταγη ζήτηση για δεδομένα (ειδικά από υπηρεσίες AI και cloud) έχει καταστήσει τα ηλεκτρικά διασυνδετικά μια σοβαρή στενωπό. Βρισκόμαστε στο σημείο όπου, κάθε φορά που διπλασιάζεις το εύρος ζώνης μιας διασύνδεσης, πρέπει να μειώσεις στο μισό το μήκος του χάλκινου καλωδίου για να διατηρήσεις την ακεραιότητα του σήματος nextplatform.com – ένας μη βιώσιμος συμβιβασμός. Αυτή η ανάγκη έχει στρέψει το ενδιαφέρον σε προσεγγίσεις όπως τα συμπακεταρισμένα οπτικά (CPO), όπου οπτικές μηχανές τοποθετούνται ακριβώς δίπλα σε ASICs switch ή επεξεργαστές για να εξαλειφθεί σχεδόν όλη η ηλεκτρική απόσταση μετάδοσης. Το 2023, πολλές εταιρείες παρουσίασαν συμπακεταρισμένα οπτικά σε switches (π.χ. τα πρωτότυπα switches 25,6 Tb/s και 51,2 Tb/s της Broadcom με ενσωματωμένες οπτικές μηχανές laser). Οι οδικοί χάρτες της βιομηχανίας δείχνουν ότι τσιπ switches Ethernet 51,2 Tb/s με συμπακεταρισμένη σιλικονούχα φωτονική θα πρέπει να κυκλοφορήσουν στην αγορά τον επόμενο χρόνο ή δύο tanaka-preciousmetals.com, και ότι περίπου το 2026–2027, πιθανότατα θα δούμε τους πρώτους CPUs/GPUs που αξιοποιούν οπτικό I/O απευθείας nextplatform.com. Με άλλα λόγια, η οπτική εποχή των διασυνδέσεων πρόκειται να ανατείλει σε πρακτικά συστήματα. Εταιρείες όπως η Intel, η Nvidia και η Cisco αναπτύσσουν ενεργά λύσεις CPO. Μάλιστα, το έργο Tomambe της Intel και άλλα έχουν ήδη παρουσιάσει οπτικές μηχανές 1,6 Tb/s ενσωματωμένες σε τσιπ switches tanaka-preciousmetals.com. Η γενική συναίνεση: μετά από χρόνια έρευνας, τα συμπακεταρισμένα οπτικά μεταβαίνουν από το πρωτότυπο στο προϊόν, με στόχο τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας ανά bit φέρνοντας τις πηγές φωτός πιο κοντά στην πηγή των δεδομένων (30% εξοικονόμηση ενέργειας σε σύγκριση με τα pluggables, σύμφωνα με μια εκτίμηση laserfocusworld.com).
Έκρηξη Επενδύσεων και Δραστηριότητας Νεοφυών Επιχειρήσεων: Τα τελευταία χρόνια έχουν σημειωθεί σημαντικές επενδύσεις και χρηματοδοτήσεις σε επιχειρήσεις φωτονικής πυριτίου. Αυτό αντικατοπτρίζει την εμπιστοσύνη που έχει η βιομηχανία στο μέλλον της τεχνολογίας. Για παράδειγμα, στα τέλη του 2024 η Ayar Labs συγκέντρωσε $155 εκατομμύρια σε Series D γύρο (ανεβάζοντάς την σε “unicorn” status με αποτίμηση άνω του $1 δισεκατομμυρίου) για να κλιμακώσει τις λύσεις οπτικού I/O· αξιοσημείωτο είναι ότι σε αυτόν τον γύρο συμμετείχαν στρατηγικές επενδύσεις από τις ίδιες τις Nvidia, AMD και Intel nextplatform.com. Αντίστοιχα, η νεοφυής επιχείρηση φωτονικών υπολογιστών Lightmatter εξασφάλισε $400 εκατομμύρια χρηματοδότηση το 2024 για να προωθήσει την πλατφόρμα οπτικού AI επιταχυντή της nextplatform.com. Μια άλλη startup, η Celestial AI, που εστιάζει σε οπτικές διασυνδέσεις για AI, όχι μόνο συγκέντρωσε $175 εκατομμύρια στις αρχές του 2024 αλλά και απέκτησε το χαρτοφυλάκιο IP φωτονικής πυριτίου της Rockley Photonics (μια εταιρεία που εστίαζε παλαιότερα στη φωτονική για αισθητήρες) για $20 εκατομμύρια τον Οκτώβριο του 2024 datacenterdynamics.com. Αυτή η εξαγορά έδωσε στη Celestial AI πάνω από 200 διπλώματα ευρεσιτεχνίας στη φωτονική πυριτίου και σηματοδοτεί κάποια ενοποίηση στον κλάδο – μικρότεροι παίκτες με πολύτιμη τεχνολογία φωτονικής (η Rockley είχε αναπτύξει προηγμένους διαμορφωτές και ολοκληρωμένα οπτικά για wearables) απορροφώνται από εταιρείες που στοχεύουν σε αγορές data center και AI. Είδαμε επίσης τις HyperLight και Lightium, δύο startups που ειδικεύονται σε φωτονικά chips λεπτού φιλμ νιοβικού λιθίου, να προσελκύουν συνολική επένδυση $44 εκατομμυρίων το 2023 optics.org, αναδεικνύοντας το ενδιαφέρον για νέα υλικά που βελτιώνουν τη φωτονική πυριτίου (οι διαμορφωτές TFLN μπορούν να προσφέρουν μεγαλύτερες ταχύτητες και χαμηλές απώλειες). Συνολικά, η χρηματοδότηση από VCs και η εταιρική υποστήριξη για εταιρείες φωτονικής πυριτίου βρίσκονται σε ιστορικά υψηλά επίπεδα, αντανακλώντας τη συνειδητοποίηση ότι η οπτική τεχνολογία είναι κρίσιμη για τα μελλοντικά ημιαγωγά.
Ωρίμανση της Τεχνολογίας και Ανάπτυξη του Οικοσυστήματος: Μια άλλη τάση είναι η ωρίμανση του οικοσυστήματος της φωτονικής πυριτίου. Περισσότερα χυτήρια και προμηθευτές συμμετέχουν πλέον στον χώρο. Στο παρελθόν, μόνο λίγοι παίκτες (όπως η Intel ή η Luxtera) διέθεταν ολοκληρωμένες δυνατότητες. Τώρα, μεγάλα χυτήρια ημιαγωγών όπως οι GlobalFoundries, TSMC και ακόμη και η STMicroelectronics προσφέρουν γραμμές επεξεργασίας φωτονικής πυριτίου ή τυποποιημένα photonic PDKs (Process Design Kits) για πελάτες ansys.com. Αυτή η τυποποίηση σημαίνει ότι νεοφυείς ή μικρότερες εταιρείες μπορούν να σχεδιάσουν φωτονικά κυκλώματα και να τα κατασκευάσουν χωρίς να δημιουργήσουν το δικό τους εργοστάσιο – παρόμοια με τον τρόπο που λειτουργούν οι fabless εταιρείες ηλεκτρονικών τσιπ. Υπάρχουν τακτικά multi-project wafer (MPW) shuttles για φωτονικά τσιπ, όπου πολλαπλά σχέδια μοιράζονται μια διαδρομή σε wafer, μειώνοντας δραστικά το κόστος πρωτοτύπων. Βιομηχανικές ομάδες εργάζονται σε τυποποιημένες λύσεις συσκευασίας (οπτικές διεπαφές I/O, μέθοδοι σύνδεσης οπτικών ινών) ώστε τα φωτονικά τσιπ να ενσωματώνονται πιο εύκολα σε προϊόντα. Η ίδρυση του American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) υπήρξε μεγάλη ώθηση: αυτή η δημόσια-ιδιωτική κοινοπραξία δημιούργησε ένα χυτήριο και γραμμή συσκευασίας φωτονικής πυριτίου στη Νέα Υόρκη και πρόσφατα έλαβε ένα πρόγραμμα $321 εκατομμυρίων, διάρκειας 7 ετών (έως το 2028) για την προώθηση της κατασκευής ολοκληρωμένης φωτονικής στις ΗΠΑ. nsf.gov. Αντίστοιχα, στην Ευρώπη, ερευνητικά ινστιτούτα όπως το IMEC στο Βέλγιο και το CEA-Leti στη Γαλλία παρέχουν πλατφόρμες φωτονικής πυριτίου και έχουν δημιουργήσει ένα σύμπλεγμα νεοφυών επιχειρήσεων φωτονικής. Στην Κίνα, η φωτονική πυριτίου επίσης αναπτύσσεται ραγδαία, με εταιρείες όπως οι InnoLight και Huawei να επενδύουν σε εγχώριες δυνατότητες φωτονικών τσιπ optics.org optics.org. Όλες αυτές οι εξελίξεις δείχνουν ότι η φωτονική πυριτίου δεν είναι πλέον μια πειραματική τεχνολογία – γίνεται πλέον ένα τυπικό μέρος της εργαλειοθήκης των ημιαγωγών.
Υψηλότερες Ταχύτητες και Νέα Υλικά: Τεχνολογικά, παρατηρούμε ταχεία πρόοδο στην ενίσχυση της απόδοσης των συσκευών πυριτικής φωτονικής. Οπτικοί πομποδέκτες 800G βρίσκονται πλέον σε στάδιο δειγματοληψίας, έχουν παρουσιαστεί μονάδες 1,6 Tb/s optics.org, και αναμένονται μονάδες pluggable 3,2 Tb/s έως το 2026 optics.org. Για να επιτευχθούν αυτές οι ταχύτητες, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν τα πάντα, από πολυπλεξία μήκους κύματος 16 καναλιών έως προηγμένες μορφές διαμόρφωσης – αξιοποιώντας ουσιαστικά τον οπτικό τομέα για να συσκευάσουν περισσότερα bits. Σε επίπεδο συσκευής, νέα υλικά ενσωματώνονται στη φωτονική πυριτίου για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί του πυριτίου. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το thin-film lithium niobate (TFLN) πάνω σε πυρίτιο, το οποίο προσφέρει πολύ γρήγορους διαμορφωτές Pockels-effect με χαμηλές απώλειες. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει διαμορφωτές που διαχειρίζονται εύρη ζώνης διαμόρφωσης άνω των 100 GHz, κατάλληλους για μελλοντικές συνδέσεις 1,6T και 3,2T ή ακόμα και για κβαντικές εφαρμογές optics.org. Νεοφυείς εταιρείες όπως η HyperLight εμπορευματοποιούν αυτά τα υβριδικά τσιπ LiNbO3/Si. Άλλα υλικά υπό έρευνα και ανάπτυξη περιλαμβάνουν τους barium titanate (BTO) ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές και υλικά ντοπαρισμένα με σπάνιες γαίες για ενσωματωμένους λέιζερ/ενισχυτές optics.org. Συνεχίζεται επίσης η προσπάθεια ενσωμάτωσης III-V ημιαγωγών (InP, GaAs) πάνω σε πυρίτιο για καλύτερους λέιζερ και οπτικούς ενισχυτές – για παράδειγμα, λέιζερ κβαντικών κουκκίδων που αναπτύσσονται απευθείας πάνω σε πυρίτιο έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο, αντιμετωπίζοντας προβλήματα αξιοπιστίας που ταλαιπωρούσαν παλαιότερες προσπάθειες nature.com nature.com. Εν ολίγοις, η παλέτα υλικών για τη φωτονική πυριτίου διευρύνεται, κάτι που θα αποφέρει υψηλότερες επιδόσεις και νέες λειτουργίες. Βλέπουμε ακόμη και πηγές microcombs βασισμένες στη φωτονική πυριτίου (οπτικές πηγές frequency comb) να χρησιμοποιούνται για εφαρμογές όπως υπερταχεία μετάδοση δεδομένων και ακριβή φασματοσκοπία, κάτι που θα φαινόταν απίθανο πριν από μια δεκαετία.
Αναδυόμενες Εφαρμογές & Προϊόντα: Παράλληλα με τις βασικές εφαρμογές, εμφανίζονται ορισμένες νέες περιπτώσεις χρήσης το 2025. Μία είναι η οπτική υπολογιστική για την ΤΝ (συζητήθηκε νωρίτερα), η οποία μεταβαίνει από ερευνητικές επιδείξεις σε πρώιμα προϊόντα – για παράδειγμα, η Lightelligence παρουσίασε υλικό φωτονικής υπολογιστικής για την επιτάχυνση της εξαγωγής συμπερασμάτων ΤΝ. Μια άλλη είναι οι οπτικοί σύνδεσμοι chip-to-chip σε προηγμένη συσκευασία: καθώς οι εταιρείες εξερευνούν πολυτμηματικές μονάδες και chiplets, οι οπτικοί σύνδεσμοι μπορούν να συνδέουν αυτά τα chiplets με υψηλή ταχύτητα σε ένα πακέτο ή έναν ενδιάμεσο φορέα. Πρότυπα όπως το UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) εξετάζουν ακόμη και επεκτάσεις οπτικού PHY. Βλέπουμε επίσης κυβερνητικό ενδιαφέρον: η DARPA και άλλοι φορείς έχουν προγράμματα για τη χρήση φωτονικών διασυνδέσεων σε αμυντικά συστήματα (για επεξεργασία υψηλού επιπέδου και δρομολόγηση σημάτων RF). Και στον καταναλωτικό τομέα, υπάρχει εικασία ότι μέσα σε λίγα χρόνια, η οπτική I/O μπορεί να εμφανιστεί σε καταναλωτικές συσκευές – για παράδειγμα, ένα AR/VR headset που χρησιμοποιεί ένα chip πυριτικής φωτονικής για συνδέσεις αισθητήρων υψηλού εύρους ζώνης, ή ένα οπτικό καλώδιο Thunderbolt για γυαλιά AR. Αν και δεν είναι ακόμη εδώ, αυτές οι ιδέες βρίσκονται στο σχεδιασμό.

Συνοψίζοντας, το 2025 βρίσκει τη φωτονική πυριτίου σε σημείο καμπής: σημαντικά εμπορικά προϊόντα κυκλοφορούν (ειδικά στη δικτύωση), τεράστιες επενδύσεις ρέουν και το οικοσύστημα ωριμάζει. Είναι όλο και πιο σαφές ότι τα οπτικά θα παίξουν θεμελιώδη ρόλο στην υπολογιστική και τη συνδεσιμότητα στο μέλλον. Όπως το έθεσε ένας σχολιαστής της βιομηχανίας, στο δεύτερο μισό αυτής της δεκαετίας πολλοί αναμένουν ότι η οπτική I/O θα μετακινηθεί από πιλοτικές γραμμές σε μαζική παραγωγή – «η γενιά των υπολογιστικών μηχανών του 2025 μπορεί να μην έχει φωτονική πυριτίου, αλλά η γενιά του 2026 θα μπορούσε και η γενιά του 2027 σχεδόν σίγουρα θα έχει», επειδή τελικά δεν έχουμε άλλη επιλογή – «ο χρόνος του χαλκού τελείωσε.» nextplatform.com

Προκλήσεις και Περιορισμοί

Παρά όλο τον ενθουσιασμό, η φωτονική πυριτίου αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις και περιορισμούς που οι ερευνητές και οι μηχανικοί εργάζονται ενεργά για να ξεπεράσουν. Είναι μια μετασχηματιστική τεχνολογία, αλλά όχι πανάκεια – τουλάχιστον όχι ακόμα. Εδώ είναι τα βασικά εμπόδια:

Ενσωμάτωση Πηγών Φωτός: Ίσως ο πιο διαβόητος περιορισμός είναι ότι το πυρίτιο δεν είναι καλό στη δημιουργία φωτός. Το πυρίτιο έχει έμμεσο ενεργειακό χάσμα, που σημαίνει ότι δεν μπορεί να λειτουργήσει ως λέιζερ ή αποδοτικό LED. Όπως το θέτει ωμά ο πρωτοπόρος της φωτονικής John Bowers, «Το πυρίτιο είναι απίστευτα κακό ως εκπομπέας φωτός.» nature.com Η εσωτερική του απόδοση είναι σχεδόν μηδενική – περίπου ένα στα εκατομμύριο ηλεκτρόνια στο πυρίτιο θα παράγει ένα φωτόνιο – ενώ οι ημιαγωγοί III-V όπως το φωσφίδιο του ινδίου ή το αρσενίδιο του γαλλίου μπορούν να εκπέμπουν φως με σχεδόν 100% απόδοση nature.com. Αυτό σημαίνει ότι για να υπάρχουν λέιζερ σε ένα φωτονικό chip πυριτίου, συνήθως πρέπει να εισαχθούν άλλα υλικά. Αυτό μπορεί να γίνει με υβριδική ενσωμάτωση (συγκόλληση ενός κομματιού πλακιδίου InP με διόδους λέιζερ πάνω στο πλακίδιο πυριτίου) ή με νεότερες τεχνικές όπως η άμεση ανάπτυξη νανοδομημένων λέιζερ III-V πάνω σε πυρίτιο. Η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα είναι ενθαρρυντική: εταιρείες και εργαστήρια (Intel, UCSB, κ.ά.) έχουν επιδείξει υβριδικά ενσωματωμένα λέιζερ σε κλίμακα, και πρόσφατα ακόμη και λέιζερ κβαντικών κουκκίδων που αναπτύχθηκαν σε πλακίδια πυριτίου 300 mm με καλή αξιοπιστία nature.com nature.com. Ωστόσο, η ενσωμάτωση λέιζερ προσθέτει πολυπλοκότητα και κόστος. Αν το λέιζερ είναι εκτός chip (σε ξεχωριστή μονάδα λέιζερ που συνδέεται μέσω οπτικής ίνας), τότε αντιμετωπίζετε την πρόκληση της αποδοτικής σύζευξης αυτού του φωτός στα μικροσκοπικά κυματοδηγούς του chip. Εν ολίγοις, η εισαγωγή φωτός στο chip είναι ένα μη τετριμμένο έργο. Η βιομηχανία εξερευνά λύσεις όπως η ετερογενής ενσωμάτωση (πολλαπλά υλικά σε ένα chip) και ακόμη και καινοτόμες προσεγγίσεις όπως ηλεκτρικά αντλούμενα λέιζερ Γερμανίου-Πυριτίου ή λέιζερ Raman σε πυρίτιο, αλλά αυτά βρίσκονται ακόμη σε πρώιμο στάδιο. Από το 2025, τα περισσότερα συστήματα φωτονικής πυριτίου χρησιμοποιούν είτε υβριδικά λέιζερ είτε εξωτερικά λέιζερ που συνδέονται. Αυτός είναι ένας βασικός τομέας συνεχιζόμενης έρευνας.

ακριβή έλεγχο των διαστάσεων

Η σύζευξη οπτικών ινών με το τσιπ

τεχνικών συσκευασίας

η προσέγγιση κατασκευής πρέπει να ισορροπεί τις ανάγκες και των δύο

«η παραγωγή θερμότητας στα ηλεκτρονικά μπορεί να επηρεάσει τη φωτονική.»

ansys.com

Κόστος και Όγκος: Μιλώντας για το κόστος – ενώ η φωτονική πυριτίου υπόσχεται χαμηλό κόστος αξιοποιώντας τα εργοστάσια πυριτίου υψηλού όγκου, η σημερινή πραγματικότητα είναι ότι αυτές οι συσκευές παραμένουν σχετικά εξειδικευμένες και ακριβές. Η βιομηχανία αποστέλλει εκατομμύρια μονάδες (ως transceivers σε data centers), αλλά για να μειωθεί πραγματικά το κόστος, πιθανότατα χρειάζεται να αποστέλλει δισεκατομμύρια μονάδες ετησίως ansys.com. Με άλλα λόγια, δεν έχει φτάσει ακόμα την κλίμακα των εμπορικών ηλεκτρονικών. Οι συσκευές συχνά απαιτούν επίσης εξειδικευμένη συσκευασία (όπως αναφέρθηκε) και δοκιμές, που προσθέτουν κόστος. Ένας τρέχων φωτονικός transceiver πυριτίου για data centers μπορεί να κοστίζει εκατοντάδες ή χιλιάδες δολάρια, κάτι που είναι αποδεκτό για αυτήν την αγορά αλλά πολύ υψηλό για τις καταναλωτικές αγορές. Τα οικονομικά είναι κάπως αβέβαια σε πολύ μεγάλη κλίμακα – όπως επεσήμανε μια αναφορά, οι μεγάλοι αγοραστές cloud ανησυχούν για την αξιοπιστία και τη δομή κόστους αν υιοθετήσουν ευρέως τη φωτονική πυριτίου, καθώς η τεχνολογία δεν έχει φτάσει ακόμα στην καμπύλη μάθησης κατασκευής του mainstream πυριτίου nextplatform.com. Ωστόσο, το κόστος βελτιώνεται σταθερά και προσπάθειες όπως τα foundry-standard PDKs και η αυτοματοποίηση βοηθούν. Τα επόμενα χρόνια, καθώς αυξάνεται ο όγκος (με ώθηση από την τεχνητή νοημοσύνη και τα data centers), θα πρέπει να δούμε το κόστος να μειώνεται, κάτι που με τη σειρά του θα ανοίξει περισσότερες αγορές (είναι ένας ενάρετος κύκλος μόλις ξεκινήσει). Παρ’ όλα αυτά, το 2025 το κόστος ανά συσκευή μπορεί να είναι περιοριστικός παράγοντας για την υιοθέτηση της φωτονικής πυριτίου σε εφαρμογές με ευαισθησία στο κόστος.
Κατανάλωση Ισχύος και Απόδοση: Ενώ η φωτονική πυριτίου μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ισχύος για μεταφορά δεδομένων σε πολύ υψηλές ταχύτητες, οι ίδιες οι συσκευές εξακολουθούν να καταναλώνουν ενέργεια – π.χ. οι διαμορφωτές συχνά χρησιμοποιούν θερμική ρύθμιση ή PN junctions που τραβούν ρεύμα, και τα lasers φυσικά καταναλώνουν ενέργεια. Υπάρχει ένα επιπλέον κόστος στη μετατροπή ηλεκτρονικών σημάτων σε οπτικά και αντίστροφα. Για να υπάρξει πραγματική εξοικονόμηση ενέργειας σε επίπεδο συστήματος, αυτά τα επιπλέον κόστη πρέπει να είναι μικρότερα από την εξοικονόμηση που προκύπτει από την κατάργηση των μακρινών ηλεκτρικών συνδέσεων. Οι σημερινοί φωτονικοί transceivers πυριτίου είναι αρκετά αποδοτικοί ενεργειακά (της τάξης μερικών picojoules ανά bit για τη μετατροπή σε οπτικό), αλλά υπάρχει ώθηση για ακόμη χαμηλότερη κατανάλωση, ειδικά αν το οπτικό I/O χρησιμοποιείται στο chip ή σε memory buses όπου η απόδοση πρέπει να είναι πολύ υψηλή. Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση είναι η χρήση ηλεκτρο-οπτικών υλικών (όπως LiNbO3 ή BTO) που μπορούν να διαμορφώσουν το φως με πολύ χαμηλή τάση (και άρα χαμηλότερη κατανάλωση) αντί για θερμική ρύθμιση. Επίσης, η ενσωμάτωση πιο αποδοτικών πηγών φωτός (όπως lasers με quantum-dot) θα μπορούσε να μειώσει τη σπατάλη ενέργειας από τα lasers (τα τρέχοντα distributed feedback lasers συχνά σπαταλούν πολλή ενέργεια ως θερμότητα). Έτσι, ενώ η φωτονική πυριτίου αντιμετωπίζει το πρόβλημα κατανάλωσης ενέργειας στις διασυνδέσεις σε μακροκλίμακα, σε μικροκλίμακα οι μηχανικοί εξακολουθούν να βελτιστοποιούν την κατανάλωση ενέργειας συσκευή-συσκευή. Τα καλά νέα: ακόμα και με την τρέχουσα τεχνολογία, τα co-packaged optics μπορούν να μειώσουν τη συνολική κατανάλωση ενέργειας των διασυνδέσεων κατά ~30% σε σύγκριση με τα παραδοσιακά pluggables laserfocusworld.com, και μελλοντικές βελτιώσεις πιθανότατα θα αυξήσουν αυτά τα οφέλη.
Σχεδιασμός και Εργαλεία Σχεδίασης: Αυτή είναι μια λιγότερο προφανής πρόκληση αλλά σημαντική: ο σχεδιασμός φωτονικών κυκλωμάτων είναι μια νέα δεξιότητα, και τα EDA (Electronic Design Automation) εργαλεία για τη φωτονική δεν είναι τόσο ώριμα όσο αυτά για τα ηλεκτρονικά. Η προσομοίωση οπτικών κυκλωμάτων, ειδικά μεγάλων με πολλά εξαρτήματα, μπορεί να είναι πολύπλοκη. Η μεταβλητότητα στην κατασκευή πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό (ίσως χρειαστείτε θερμικούς ρυθμιστές για να διορθώσετε μικρά σφάλματα). Υπάρχει ανάγκη για καλύτερα εργαλεία σχεδίασης που να μπορούν να συνεπιλέγουν ηλεκτρονικά και φωτονικά τμήματα κυκλωμάτων, συχνά αποκαλούμενα EPDA (Electronic Photonic Design Automation). Το οικοσύστημα προοδεύει – εταιρείες όπως οι Synopsys, Cadence και Lumerical (Ansys) διαθέτουν εργαλεία για φωτονικό σχεδιασμό – αλλά παραμένει ένα εξελισσόμενο πεδίο. Σχετικό ζήτημα είναι η έλλειψη προτύπων σε ορισμένους τομείς: ενώ πολλές foundries προσφέρουν PDKs, μπορεί να έχουν διαφορετικές βιβλιοθήκες εξαρτημάτων και παραμέτρους. Αυτό μπορεί να κάνει τα σχέδια λιγότερο φορητά σε σχέση με τα ηλεκτρονικά σχέδια. Η βιομηχανία κινείται προς κοινά πρότυπα (για παράδειγμα, η μορφή ανταλλαγής διατάξεων για φωτονικά κυκλώματα ή τυποποιημένα μοντέλα εξαρτημάτων), αλλά απαιτείται περισσότερη δουλειά για την απλοποίηση της ροής σχεδίασης. Η δημιουργία ενός ισχυρού αγωγού ταλέντων είναι επίσης κρίσιμη: χρειάζονται μηχανικοί που να κατανοούν τόσο το σχεδιασμό τύπου RF/microwave αναλογικών όσο και τη φυσική της οπτικής, και είναι σε έλλειψη (αν και πολλά πανεπιστήμια πλέον παράγουν αποφοίτους σε αυτό το διεπιστημονικό πεδίο).
Περιορισμοί Απόδοσης: Παρόλο που η πυριτιούχος φωτονική βελτιώνει δραματικά ορισμένες μετρικές, έχει τους δικούς της φυσικούς περιορισμούς. Οπτική απώλεια σε κυματοδηγούς, αν και χαμηλή (~dB/cm), συσσωρεύεται σε μεγάλα κυκλώματα, και οι στενές καμπύλες ή τα μικρά χαρακτηριστικά μπορούν να αυξήσουν την απώλεια. Υπάρχει επίσης απώλεια σύζευξης οπτικής ίνας-τσιπ που πρέπει να ελαχιστοποιηθεί. Θερμική ευαισθησία του πυριτίου (ο δείκτης διάθλασης αλλάζει με τη θερμοκρασία) σημαίνει ότι πολλά φωτονικά κυκλώματα πυριτίου χρειάζονται σταθεροποίηση ή βαθμονόμηση. Περιορισμοί εύρους ζώνης μπορεί να προκύψουν σε διαμορφωτές ή ανιχνευτές – για παράδειγμα, οι δακτυλιοειδείς διαμορφωτές πυριτίου έχουν πεπερασμένο εύρος ζώνης και μπορεί να είναι ευαίσθητοι στη θερμοκρασία, ενώ οι διαμορφωτές Mach-Zehnder χρειάζονται προσεκτική μηχανική για να επιτύχουν πολύ υψηλές ταχύτητες χωρίς παραμόρφωση. Χρωματική διασπορά σε κυματοδηγούς μπορεί να περιορίσει εφαρμογές πολύ ευρέος μήκους κύματος (αν και συνήθως δεν αποτελεί πρόβλημα στις μικρές αποστάσεις εντός τσιπ). Ένα ακόμα λεπτό σημείο: η ηλεκτρονικο-φωτονική ολοκλήρωση σημαίνει ότι συχνά πρέπει να συν-σχεδιάζετε τα ηλεκτρονικά (όπως ενισχυτές οδήγησης, TIAs για ανιχνευτές) με τα φωτονικά. Η διεπαφή μεταξύ τους μπορεί να περιορίσει τη συνολική απόδοση (π.χ., αν ένας διαμορφωτής χρειάζεται συγκεκριμένο εύρος τάσης, χρειάζεστε έναν οδηγό που να το παρέχει γρήγορα). Έτσι, το συστημικό engineering είναι πολύπλοκο. Επιπλέον, δεν δικαιολογούν όλες οι εφαρμογές τη φωτονική – για πολύ μικρές, χαμηλής ταχύτητας συνδέσεις, τα ηλεκτρικά μπορεί να είναι ακόμα φθηνότερα και απλούστερα. Επομένως, το να γνωρίζετε πού να εφαρμόσετε τη φωτονική πυριτίου για μέγιστο όφελος είναι από μόνο του μια σημαντική παράμετρος.

Συνοψίζοντας, ενώ κανένα από αυτά τα προβλήματα δεν αποτελεί ανυπέρβλητο εμπόδιο, συνολικά σημαίνουν ότι η πυριτιούχος φωτονική έχει ακόμα περιθώρια εξέλιξης. Πολλοί από τους πιο λαμπρούς επιστήμονες στη φωτονική και τα ηλεκτρονικά ασχολούνται ενεργά με την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων: ενσωμάτωση καλύτερων λέιζερ, βελτίωση της συσκευασίας, κλιμάκωση της παραγωγής και διεύρυνση των σχεδιαστικών δυνατοτήτων. Η πρόοδος ακόμη και τα τελευταία χρόνια είναι ενθαρρυντική. Όπως σημείωσε ο καθηγητής Bowers, προκλήσεις όπως η ενσωμάτωση λέιζερ III-V σε CMOS, η βελτίωση των αποδόσεων και της σύνδεσης με οπτικές ίνες, και η μείωση του κόστους αντιμετωπίζονται όλες με «πολύ γρήγορη πρόοδο» nature.com. Κάθε χρόνο φέρνει βελτιώσεις, και το χάσμα μεταξύ εργαστηριακού πρωτοτύπου και μαζικής παραγωγής γίνεται λίγο μικρότερο. Αξίζει να θυμόμαστε ότι τα ηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα χρειάστηκαν δεκαετίες εντατικής προσπάθειας για να φτάσουν στη σημερινή τους κλίμακα – η πυριτιούχος φωτονική, συγκριτικά, βρίσκεται σε πολύ πρώιμο στάδιο της διαδρομής της, αλλά προοδεύει γρήγορα.

Κορυφαίες Εταιρείες και Ιδρύματα στον Τομέα

Η πυριτιούχος φωτονική έχει εξελιχθεί σε μια παγκόσμια προσπάθεια, με πολλές εταιρείες (από νεοφυείς μέχρι τεχνολογικούς κολοσσούς) και ερευνητικά ιδρύματα να προωθούν τον τομέα. Σύμφωνα με έρευνες αγοράς, οι κορυφαίοι παίκτες στην αγορά της πυριτιούχου φωτονικής (μέχρι το 2025) περιλαμβάνουν μεγάλες βιομηχανίες όπως οι Cisco, Intel και IBM, μαζί με εξειδικευμένες εταιρείες όπως οι NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics και STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Ακολουθεί μια επισκόπηση ορισμένων βασικών συντελεστών:

Intel Corporation (ΗΠΑ): Πρωτοπόρος στη σιλικονούχα φωτονική, η Intel επένδυσε νωρίς και σημαντικά στην τεχνολογία. Εισήγαγε έναν από τους πρώτους σιλικονούχους φωτονικούς πομποδέκτες 100G το 2016 και από τότε έχει αποστείλει εκατομμύρια συσκευές optics.org. Η Intel χρησιμοποιεί σιλικονούχα φωτονική σε πομποδέκτες οπτικών υψηλής ταχύτητας και την προωθεί σε μελλοντικούς server CPUs και εφαρμογές edge. Το όραμα της εταιρείας είναι να «επιτρέψει τη μελλοντική ανάπτυξη του εύρους ζώνης των data centers» με τη φωτονική, κλιμακώνοντας από 100G σε 400G και πέρα, και να ενσωματώσει την οπτική με τους επεξεργαστές για εφαρμογές όπως το 5G και τα αυτόνομα οχήματα expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Το τμήμα Silicon Photonics της Intel συνεργάστηκε πρόσφατα με την Jabil για την παραγωγή, υποδεικνύοντας ωρίμανση προς παραγωγή μεγάλου όγκου optics.org. Η Intel επίσης ερευνά τη συνεσυσκευασμένη οπτική για switches και έχει μερίδιο σε πολλές startups φωτονικής (όπως η Ayar Labs).
Cisco Systems (ΗΠΑ): Η Cisco, ένας γίγαντας των δικτύων, εισήλθε στη σιλικονούχα φωτονική μέσω εξαγορών (π.χ. εξαγορά της Luxtera το 2019) και τώρα είναι κορυφαίος προμηθευτής σιλικονούχων φωτονικών οπτικών πομποδεκτών για data centers και τηλεπικοινωνίες. Η Cisco χρησιμοποιεί τη φωτονική τεχνολογία της σε προϊόντα που κυμαίνονται από modules 100G/400G pluggable έως μελλοντικά συνεσυσκευασμένα οπτικά switches. Οι λύσεις της Cisco επωφελούνται από εσωτερικό σχεδιασμό φωτονικών ICs που επιτυγχάνουν υψηλή πυκνότητα και ενεργειακή απόδοση. Αξιοποιώντας τη σιλικονούχα φωτονική, η Cisco προσφέρει στους πελάτες διασυνδέσεις υψηλής ταχύτητας με μικρότερο μέγεθος. Το 2025, η Cisco είναι ένας από τους ηγέτες της αγοράς που αποστέλλει σιλικονούχα φωτονική σε μεγάλους όγκους expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (ΗΠΑ): Η IBM έχει μακρά ιστορία στην έρευνα οπτικών διασυνδέσεων. Η ομάδα Silicon Photonics της, με πάνω από μια δεκαετία R&D, έχει αναπτύξει τεχνολογία οπτικών συνδέσμων υψηλής ταχύτητας με στόχο διασυνδέσεις σε επίπεδο πλακέτας και επεξεργαστή expertmarketresearch.com. Η έρευνα της IBM έχει παράγει εξελίξεις σε σιλικονούχους μικροδακτυλίους διαμορφωτές, πολυπλεξία μήκους κύματος και συσκευασία. Ενώ η IBM δεν πουλά πομποδέκτες όπως η Intel ή η Cisco, συχνά συνεργάζεται σε πρωτότυπα (για παράδειγμα, η IBM και η Mellanox παρουσίασαν μια οπτική διασύνδεση για servers το 2015). Η έμφαση της IBM είναι στη χρήση της φωτονικής για την επίλυση εμποδίων στην υπολογιστική (π.χ., ο επεξεργαστής POWER10 χρησιμοποιεί φωτονικούς συνδέσμους για off-chip signaling μέσω συνεργασιών). Η IBM επίσης συμβάλλει σε πρότυπα και ανοιχτή έρευνα· η δουλειά της εμφανίζεται συχνά σε συνέδρια όπως τα OFC και CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (ΗΠΑ): Η NeoPhotonics (που πλέον ανήκει στη Lumentum από το 2022) εξειδικεύεται σε λέιζερ και φωτονικά εξαρτήματα για τηλεπικοινωνίες και data center. Έχει αναπτύξει λέιζερ υπερ-καθαρής φωτεινότητας με δυνατότητα ρύθμισης και υψηλής ταχύτητας διαμορφωτές. Αξιοσημείωτο είναι ότι η NeoPhotonics εισήγαγε φωτονικές συνεκτικές οπτικές υπομονάδες πυριτίου (COSAs) για επικοινωνίες 400G ανά μήκος κύματος, και ερευνούσε τα 800G και πέραν αυτών expertmarketresearch.com. Ως μέρος της Lumentum (σημαντικού παίκτη στη βιομηχανία οπτικών), αυτή η τεχνογνωσία συμβάλλει στη νέα γενιά συνεκτικών transceivers και pluggables για τηλεπικοινωνίες. Η ιδιοκτησία της Lumentum σημαίνει ότι αυτά τα προϊόντα φωτονικής πυριτίου μπορούν να ενσωματωθούν στο υπάρχον χαρτοφυλάκιο φωτονικής της Lumentum (π.χ. στους διαμορφωτές και ενισχυτές ινδιούχου φωσφιδίου).
Hamamatsu Photonics (Ιαπωνία): Ηγέτης στα οπτοηλεκτρονικά εξαρτήματα, η Hamamatsu κατασκευάζει μια ευρεία γκάμα φωτονικών συσκευών (φωτοδιόδους, φωτοπολλαπλασιαστές, αισθητήρες εικόνας κ.ά.). Η Hamamatsu έχει υιοθετήσει διεργασίες πυριτίου για την παραγωγή προϊόντων όπως συστοιχίες φωτοδιόδων πυριτίου και οπτικούς αισθητήρες με βάση το πυρίτιο expertmarketresearch.com. Αν και δεν εστιάζει τόσο σε transceivers υψηλής ταχύτητας, το έργο της Hamamatsu στη φωτονική πυριτίου είναι κρίσιμο για ανίχνευση και επιστημονικά όργανα. Παρέχουν φωτοδιόδους πυριτίου PIN, APDs και chips οπτικών αισθητήρων που αποτελούν θεμέλιο για δέκτες οπτικών επικοινωνιών και ανιχνευτές LiDAR. Η τεχνογνωσία τους σε φωτονική χαμηλού θορύβου και υψηλής ευαισθησίας συμπληρώνει την ψηφιακή επικοινωνία στη φωτονική πυριτίου.
STMicroelectronics (Ελβετία/Ευρώπη): Η STMicro είναι μεγάλος κατασκευαστής ημιαγωγών που έχει αναπτύξει δική της ικανότητα στη φωτονική πυριτίου. Η STMicro εστιάζει σε ενσωματωμένες λύσεις απεικόνισης και ανίχνευσης – για παράδειγμα, έχει κατασκευάσει chips φωτονικής πυριτίου για οπτικά γυροσκόπια οπτικών ινών και έχει εργαστεί σε R&D οπτικών διασυνδέσεων σε ευρωπαϊκά κονσόρτσια. Τα προηγμένα εργοστάσια και η ικανότητα MEMS της STMicro την τοποθετούν ιδανικά για φωτονική πυριτίου που απαιτεί ενσωμάτωση με άλλους αισθητήρες ή ηλεκτρονικά expertmarketresearch.com. Χώρες όπως η Γαλλία και η Ιταλία (όπου η ST έχει μεγάλες δραστηριότητες) στηρίζουν τη φωτονική μέσω πρωτοβουλιών, και η ST είναι συχνά εταίρος σε αυτές. Φημολογείται επίσης ότι προμηθεύει ορισμένα εξαρτήματα φωτονικής πυριτίου για βιομηχανικά και αυτοκινητιστικά συστήματα.
GlobalFoundries (ΗΠΑ) και TSMC (Ταϊβάν): Αυτοί οι κατασκευαστές chips κατά παραγγελία έχουν δημιουργήσει ο καθένας προσφορές στη φωτονική πυριτίου. Η GlobalFoundries διαθέτει γνωστή διεργασία φωτονικής πυριτίου στα 45 nm (GF 45CLO) και έχει συνεργαστεί με startups όπως η Ayar Labs για την κατασκευή chips οπτικού I/O. Η TSMC είναι πιο μυστικοπαθής, αλλά φέρεται να συνεργάζεται με μεγάλες τεχνολογικές εταιρείες για την κατασκευή ολοκληρωμένων φωτονικών chips (π.χ. κάποιες φήμες για την Apple υποδεικνύουν συμμετοχή της TSMC σε φωτονικούς αισθητήρες). Και οι δύο είναι κρίσιμες για την κλιμάκωση της παραγωγής – η συμμετοχή μεγάλων foundries σημαίνει ότι κάθε fabless εταιρεία μπορεί να αποκτήσει πρωτότυπα και μαζική παραγωγή φωτονικών chips πιο εύκολα. Στην πραγματικότητα, η εμπλοκή τέτοιων foundries αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι η φωτονική πυριτίου γίνεται mainstream.
Infinera (ΗΠΑ) και Coherent/II-VI (ΗΠΑ): Η Infinera είναι κατασκευαστής τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού που από νωρίς υποστήριξε τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (αν και σε ινδίου φωσφίδιο). Έκτοτε έχει προσαρμοστεί ώστε να χρησιμοποιεί επίσης πυριτιούχα φωτονική σε ορισμένα προϊόντα ή για συνεπανασκευασία με τα InP PICs της. Η Coherent (που εξαγόρασε τη Finisar και αργότερα πήρε το όνομα Coherent) ασχολείται βαθιά με οπτικά εξαρτήματα· διαθέτει δικά της εργοστάσια InP αλλά αναπτύσσει επίσης πυριτιούχους φωτονικούς transceivers για data centers optics.org. Αυτές οι εταιρείες φέρνουν μια τηλεπικοινωνιακού επιπέδου εστίαση στην αξιοπιστία και την απόδοση, ωθώντας την πυριτιούχα φωτονική να ανταποκριθεί σε απαιτήσεις carrier-class (π.χ. modules 400ZR για συνεκτικούς συνδέσμους σε αποστάσεις).
Ayar Labs, Lightmatter, και Startups: Ένα κύμα καινοτόμων startups προωθεί την πυριτιούχα φωτονική σε νέους τομείς. Συζητήσαμε για την Ayar Labs (οπτικό I/O για AI/HPC) και τη Lightmatter (οπτική υπολογιστική). Άλλες περιλαμβάνουν τη Lightelligence (άλλη μια startup οπτικού AI chip), τη Luminous Computing (ενσωμάτωση φωτονικής και ηλεκτρονικής για AI), τη Celestial AI (οπτική δικτύωση για compute clusters), την OpenLight (κοινοπραξία που προσφέρει ανοιχτή φωτονική πλατφόρμα με ενσωματωμένα lasers), και τη Rockley Photonics (επικεντρωμένη σε αισθητήρες υγείας, πλέον κυρίως εξαγορασμένη από τη Celestial). Αυτές οι startups ξεχωρίζουν για τις φιλόδοξες προσεγγίσεις τους – π.χ., το 3D-integrated photonic tensor core της Lightmatter ή η προσπάθεια της Luminous να κατασκευάσει έναν πλήρη φωτονικό υπολογιστή. Συχνά συνεργάζονται με μεγάλες εταιρείες (για παράδειγμα, η HPE συνεργάστηκε με την Ayar Labs για να χρησιμοποιήσει οπτικές διασυνδέσεις σε supercomputer interconnect fabric nextplatform.com). Η σκηνή των startups είναι ζωντανή και η παρουσία τους έχει ωθήσει τους καθιερωμένους παίκτες να κινηθούν ταχύτερα. Ένας παρατηρητής της βιομηχανίας σημείωσε ότι μαζί με την Ayar, εταιρείες όπως η Lightmatter και η Celestial AI «όλες έχουν μια ευκαιρία να σημειώσουν πρόοδο καθώς η πυριτιούχα φωτονική γεφυρώνει μεταξύ υπολογιστικών μηχανών και διασυνδέσεων.» nextplatform.com
Ακαδημαϊκά και Ερευνητικά Ιδρύματα: Στην πλευρά των ιδρυμάτων, κορυφαία πανεπιστήμια και εθνικά εργαστήρια είναι καθοριστικής σημασίας για την προώθηση της πυριτικής φωτονικής. Το University of California, Santa Barbara (UCSB) υπό τον καθηγητή John Bowers υπήρξε πρωτοπόρο, ανοίγοντας δρόμους σε υβριδικούς πυριτικούς λέιζερ και λέιζερ κβαντικών κουκκίδων σε πυρίτιο. Τα MIT, Stanford, Columbia (με την ομάδα της καθηγήτριας Michal Lipson) και Caltech είναι άλλα αμερικανικά κέντρα έρευνας στην πυριτική φωτονική, δουλεύοντας σε θέματα από νέα φυσική διαμορφωτών μέχρι αρχιτεκτονικές φωτονικών υπολογιστών. Στην Ευρώπη, το IMEC στο Βέλγιο διατηρεί ένα σημαντικό πρόγραμμα πυριτικής φωτονικής και υπηρεσία πολυ-έργου σε πλακίδια (iSiPP), ενώ το University of Southampton, το TU Eindhoven, το EPFL και άλλα διαθέτουν ισχυρές ομάδες. Το AIM Photonics ινστιτούτο στις ΗΠΑ (όπως αναφέρθηκε παραπάνω) συγκεντρώνει πολλά από αυτά τα πανεπιστήμια και εταιρείες για συνεργασία και παρέχει εθνική δυνατότητα παραγωγής. Κυβερνητικά εργαστήρια όπως το MIT Lincoln Lab και το IMEC έχουν επίσης επιδείξει προηγμένη ολοκληρωμένη φωτονική για την άμυνα (π.χ. οπτικές φασικές διατάξεις για LiDAR). Επιπλέον, διεθνείς συνεργασίες και συνέδρια (όπως το Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society meetings) επιτρέπουν σε αυτά τα ιδρύματα να μοιράζονται ανακαλύψεις. Ο τομέας επωφελείται από μια υγιή διασύνδεση ακαδημίας-βιομηχανίας: πολλοί ιδρυτές startups και ηγέτες της βιομηχανίας εκπαιδεύτηκαν σε αυτά τα ερευνητικά εργαστήρια, ενώ η συνεχιζόμενη ακαδημαϊκή έρευνα συνεχίζει να ωθεί τα όρια (για παράδειγμα, νέα ενσωμάτωση υλικών ή κβαντική φωτονική όπως αναφέρθηκε).

Όλοι αυτοί οι παίκτες – μεγάλες τεχνολογικές εταιρείες, εξειδικευμένοι κατασκευαστές εξαρτημάτων, φιλόδοξα startups και πρωτοποριακά ερευνητικά εργαστήρια – σχηματίζουν ένα πλούσιο οικοσύστημα που συλλογικά προωθεί την πυριτική φωτονική. Ο ανταγωνισμός και η συνεργασία μεταξύ τους επιταχύνουν την καινοτομία. Αξιοσημείωτο είναι ότι ακόμα και η γεωπολιτική παίζει ρόλο: υπάρχει επίγνωση μιας κούρσας μεταξύ ΗΠΑ, Ευρώπης και Κίνας για το ποιος θα ηγηθεί στις φωτονικές τεχνολογίες csis.org, δεδομένης της στρατηγικής της σημασίας για τις επικοινωνίες και την υπολογιστική. Αυτό έχει οδηγήσει σε αυξημένες δημόσιες επενδύσεις (π.χ. το PhotonHub της ΕΕ και τις εθνικές πρωτοβουλίες φωτονικής της Κίνας). Για τον γενικό τεχνολογικό ενθουσιώδη, το συμπέρασμα είναι ότι πολλοί έξυπνοι άνθρωποι και σοβαροί πόροι παγκοσμίως επενδύονται για να κάνουν τα μελλοντικά μας τσιπ να επικοινωνούν με το φως.

Εμπειρογνωμοσύνη και Αποσπάσματα

Καθ’ όλη την άνοδο της πυριτικής φωτονικής, ειδικοί του τομέα έχουν προσφέρει οπτικές που βοηθούν στην κατανόηση του αντίκτυπού της. Ακολουθούν μερικές αξιοσημείωτες απόψεις:

Για τη μετατόπιση παραδείγματος στη Σιλικονούχα Φωτονική: «Συχνά περιγράφω τη σιλικονούχα φωτονική ως κάτι περισσότερο από μια σταδιακή βελτίωση — είναι μια μετατόπιση παραδείγματος», λέει ο René Jonker, στέλεχος της Soitec, τονίζοντας ότι σε αντίθεση με τους χάλκινους διασυνδέσμους που φτάνουν στα όριά τους, οι οπτικοί σύνδεσμοι προσφέρουν έναν βιώσιμο τρόπο διαχείρισης της εκρηκτικής ζήτησης δεδομένων. Παρόλο που παραμένουν προκλήσεις για τη μείωση του κόστους και την κλιμάκωση της παραγωγής, τα οφέλη – «μεγαλύτερο εύρος ζώνης, μειωμένη καθυστέρηση και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας» – καθιστούν τη σιλικονούχα φωτονική «αναπόσπαστο μέρος της μελλοντικής μας υποδομής». laserfocusworld.com
Για την κατανάλωση ενέργειας και τα οπτικά στα data centers: Ένα σχόλιο του Laser Focus World το 2025 τόνισε την επείγουσα κατάσταση στα data centers: μέχρι το τέλος της δεκαετίας, τα data centers θα μπορούσαν να καταναλώνουν το 8% της ηλεκτρικής ενέργειας των ΗΠΑ αν συνεχιστεί η τάση, κάτι που είναι «μη βιώσιμο με τους υπάρχοντες ηλεκτρικούς διασυνδέσμους». Ο συγγραφέας κατέληξε ότι «οι οπτικοί διασυνδέσμοι, που καθίστανται εφικτοί από τη σιλικονούχα φωτονική, είναι η μόνη κλιμακούμενη λύση για το μέλλον». laserfocusworld.com Με άλλα λόγια, για να αποφευχθεί μια κρίση ενέργειας και εύρους ζώνης, η μετάβαση σε οπτικούς συνδέσμους δεν είναι απλώς επιλογή – είναι αναγκαία.
Για τις προκλήσεις ενσωμάτωσης: Ο καθηγητής John Bowers (UCSB), εξέχουσα προσωπικότητα στη φωτονική, σχολίασε τη μεγαλύτερη πρόκληση: «Η κύρια πρόκληση είναι η ενσωμάτωση υλικών III–V στη σιλικονούχα CMOS… Υπάρχουν ακόμη ζητήματα υψηλών αποδόσεων, υψηλής αξιοπιστίας, μείωσης κόστους και σύνδεσης με οπτική ίνα. Η συσκευασία ηλεκτρονικών και φωτονικών μαζί είναι πρόκληση… Όμως η πρόοδος είναι πολύ γρήγορη.» nature.com Αυτό υπογραμμίζει ότι ενώ η ενσωμάτωση λέιζερ (υλικά III–V) και η επίτευξη τέλειων αποδόσεων είναι δύσκολη, σημειώνεται σταθερή πρόοδος από ηγέτες της βιομηχανίας όπως η Intel και οι λύσεις βρίσκονται στον ορίζοντα.
Για την εκπομπή φωτός στη σιλικόνη: Στην ίδια συνέντευξη, ο Bowers έδωσε μια παραστατική εξήγηση για το γιατί τα λέιζερ χρειάζονται κάτι διαφορετικό από τη σιλικόνη: «Η σιλικόνη είναι απίστευτα κακή ως εκπομπέας φωτός. Η εσωτερική της κβαντική απόδοση είναι περίπου ένα προς ένα εκατομμύριο, ενώ η απόδοση ενός άμεσου ενεργειακού χάσματος III–V είναι ουσιαστικά 100%. Ήξερα από την αρχή ότι χρειαζόμαστε έναν ημιαγωγό με άμεσο ενεργειακό χάσμα…» nature.com. Αυτή η ειλικρινής εκτίμηση εξηγεί γιατί η ομάδα του ακολούθησε από νωρίς τα υβριδικά λέιζερ (σύνδεση InP με Si) – μια προσέγγιση που απέδωσε με το υβριδικό σιλικονούχο λέιζερ της Intel το 2007 και μετά.
Φτάνοντας στον διακομιστή με οπτικές ίνες: Ο Ανώτερος Διευθυντής Φωτονικής της Intel, Robert Blum, απεικόνισε πώς οι οπτικές ίνες διεισδύουν στα κέντρα δεδομένων: «Όταν μπαίνετε σήμερα σε ένα κέντρο δεδομένων, θα δείτε καλώδια χαλκού 100 Gb/s… καλά για τέσσερα μέτρα. Αλλά οτιδήποτε πέρα από το rack χρησιμοποιεί ήδη οπτικές ίνες. Καθώς αυξάνουμε στα 200 ή 400 Gb/s, [η] εμβέλεια του χαλκού γίνεται πολύ μικρότερη και αρχίζουμε να βλέπουμε αυτή την τάση όπου οι οπτικές ίνες φτάνουν μέχρι τον διακομιστή.» tanaka-preciousmetals.com Αυτό το απόσπασμα αποτυπώνει ζωντανά τη συνεχιζόμενη μετάβαση – οι οπτικές ίνες αντικαθιστούν σταθερά τον χαλκό από τον πυρήνα του δικτύου προς τις άκρες.
Για την Ανάπτυξη της Αγοράς και την Τεχνητή Νοημοσύνη: «Η άνοδος της τεχνητής νοημοσύνης έχει προκαλέσει μια άνευ προηγουμένου ζήτηση για υψηλής απόδοσης transceivers… Η πυριτιούχος φωτονική και τα PICs βρίσκονται στην πρώτη γραμμή αυτής της επανάστασης», παρατηρεί ο Sam Dale, αναλυτής τεχνολογίας στην IDTechX, σημειώνοντας την ικανότητα της πυριτιούχου φωτονικής να προσφέρει «ταχύτητες 1,6 Tbps και άνω.» optics.org Η έκθεσή του προβλέπει ότι η αγορά για ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα θα μπορούσε να αυξηθεί σχεδόν δέκα φορές μέχρι το 2035 (στα $54 δισεκατομμύρια), οδηγούμενη κυρίως από τις ανάγκες των κέντρων δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης optics.org.
Για το Μέλλον της Πληροφορικής: Αναλυτές από το The Next Platform προβλέπουν ότι το οπτικό I/O θα εισέλθει σύντομα στα συστήματα HPC. Σημειώνουν ότι μέχρι το 2026–2027, πιθανότατα θα δούμε mainstream CPUs/GPUs με οπτικές διεπαφές, επειδή «βραχυπρόθεσμα, δεν έχουμε άλλη επιλογή.» Με τη χαρακτηριστική τους διατύπωση, «Ο χρόνος του χαλκού τελείωσε.» nextplatform.com Αυτό συνοψίζει ένα κοινό αίσθημα στη βιομηχανία: οι ηλεκτρικές συνδέσεις δεν επαρκούν για την επόμενη εποχή της πληροφορικής και η φωτονική πρέπει να αναλάβει για να μην φτάσουμε σε αδιέξοδο.

Αυτές οι απόψεις από ειδικούς υπογραμμίζουν τόσο τις υποσχέσεις όσο και τα εμπόδια της πυριτιούχου φωτονικής. Υπάρχει ένα σταθερό μοτίβο: η πυριτιούχος φωτονική είναι μετασχηματιστική – επιτρέποντας το απαραίτητο άλμα στην απόδοση – αλλά συνοδεύεται από σοβαρές τεχνολογικές προκλήσεις που αντιμετωπίζονται γρήγορα. Οι ειδικοί επισημαίνουν έναν συνδυασμό αισιοδοξίας (η αλλαγή παραδείγματος, το αναντικατάστατο μέλλον) και ρεαλισμού (θέματα ενσωμάτωσης, ανησυχίες για κόστος και κλιμάκωση). Οι απόψεις τους βοηθούν το ευρύ κοινό να κατανοήσει γιατί τόσες πολλές εταιρείες και ερευνητές ενθουσιάζονται με την πυριτιούχο φωτονική, αλλά και γιατί χρειάστηκαν μερικές δεκαετίες για να απογειωθεί αυτή η τεχνολογία. Το να το ακούς από τα στόματα αυτών που βρίσκονται στην πρώτη γραμμή – είτε είναι έμπειρος ερευνητής είτε υπεύθυνος προϊόντος – δίνει το πλαίσιο ότι αυτός είναι ένας τομέας όπου η φυσική, η μηχανική και οι δυνάμεις της αγοράς διασταυρώνονται με συναρπαστικούς τρόπους.

Πρόσφατα Νέα και Ορόσημα

Το τοπίο της πυριτιούχου φωτονικής είναι πολύ δυναμικό. Εδώ είναι μερικά πρόσφατα σημαντικά νέα και ορόσημα (από τον τελευταίο χρόνο περίπου) που δείχνουν τη ραγδαία πρόοδο του τομέα:

Η Celestial AI Εξαγοράζει τη Διανοητική Ιδιοκτησία της Rockley Photonics (Οκτ 2024): Η Celestial AI, μια startup που αναπτύσσει οπτικές διασυνδέσεις Photonic Fabric™ για την τεχνητή νοημοσύνη, ανακοίνωσε ότι εξαγόρασε το χαρτοφυλάκιο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας πυριτικής φωτονικής της Rockley Photonics για 20 εκατομμύρια δολάρια datacenterdynamics.com. Η Rockley είχε αναπτύξει προηγμένους πυριτικούς φωτονικούς αισθητήρες και είχε στραφεί στα φορετά υγείας πριν αντιμετωπίσει πτώχευση. Αυτή η συμφωνία έδωσε στη Celestial AI πάνω από 200 διπλώματα ευρεσιτεχνίας, συμπεριλαμβανομένης τεχνολογίας για ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές και οπτική μεταγωγή χρήσιμη για εφαρμογές σε data centers datacenterdynamics.com. Πρόκειται για μια σημαντική ενοποίηση, που δείχνει πόσο πολύτιμη έχει γίνει η διανοητική ιδιοκτησία στη φωτονική στον χώρο της τεχνητής νοημοσύνης και των data centers. Οι καινοτομίες της Rockley (όπως οι ευρυζωνικοί λέιζερ για αισθητήρες) ίσως βρουν νέα ζωή ενσωματωμένες στις λύσεις οπτικών διασυνδέσεων της Celestial.
Μεγάλη Χρηματοδότηση για Startups – Ayar Labs & Lightmatter (τέλη 2024): Δύο αμερικανικές startups εξασφάλισαν μεγάλους γύρους χρηματοδότησης. Η Ayar Labs ολοκλήρωσε έναν Γύρο Series D ύψους 155 εκατομμυρίων δολαρίων τον Δεκέμβριο του 2024, με συμμετοχή ηγετών της βιομηχανίας ημιαγωγών (Nvidia, Intel, AMD συμμετείχαν μαζί με VCs) nextplatform.com. Αυτός ο γύρος ανέβασε την αποτίμηση της Ayar πάνω από 1 δισεκατομμύριο δολάρια, δείχνοντας εμπιστοσύνη στην τεχνολογία οπτικού I/O εντός πακέτου που στοχεύει να αντικαταστήσει το ηλεκτρικό I/O στους μελλοντικούς επεξεργαστές. Λίγες εβδομάδες νωρίτερα, η Lightmatter συγκέντρωσε 400 εκατομμύρια δολάρια σε Series D (Οκτ 2024), διπλασιάζοντας τη συνολική της χρηματοδότηση και φτάνοντας αποτίμηση 4,4 δισεκατομμυρίων δολαρίων nextplatform.com. Η Lightmatter αναπτύσσει φωτονικά υπολογιστικά chips και τεχνολογία οπτικού interposer για επιτάχυνση AI. Τέτοιες μεγάλες επενδύσεις είναι αξιοσημείωτες – δείχνουν ότι οι επενδυτές (και στρατηγικοί εταίροι) πιστεύουν ότι αυτές οι startups μπορούν να λύσουν κρίσιμα προβλήματα στην τεχνητή νοημοσύνη και την πληροφορική με οπτική τεχνολογία. Σημαίνει επίσης ότι μπορούμε να περιμένουμε αυτές τις εταιρείες να περάσουν από τα πρωτότυπα στα προϊόντα· πράγματι, η Lightmatter έχει ήδη αναπτύξει δοκιμαστικά συστήματα και τα οπτικά chiplets της Ayar προορίζονται για πιλοτική χρήση σε συστήματα HPC.
Η Intel Αναθέτει την Παραγωγή Transceivers στη Jabil (τέλη 2023): Σε μια ενδιαφέρουσα εξέλιξη, η Intel στα τέλη του 2023 αποφάσισε να μεταφέρει την επιχείρηση οπτικών transceivers υψηλού όγκου στη Jabil, έναν συνεργάτη κατασκευής optics.org. Η Intel είχε αποστείλει πάνω από 8 εκατομμύρια chips οπτικών transceivers από το 2016 optics.org – αυτά χρησιμοποιούνται για συνδεσιμότητα 100G/200G σε data centers. Με την ανάθεση της παραγωγής στη Jabil (έναν συμβασιούχο κατασκευαστή), η Intel σηματοδότησε μια στρατηγική στροφή: θα επικεντρωθεί στην ενσωμάτωση της φωτονικής με τις βασικές της πλατφόρμες (όπως co-packaged optics και on-processor photonics), ενώ θα αφήσει σε έναν συνεργάτη την αγορά των εμπορευματοποιημένων transceivers. Αυτή η κίνηση αντικατοπτρίζει επίσης μια ωρίμανση του κλάδου – αυτό που ήταν αιχμή της τεχνολογίας πριν λίγα χρόνια (100G pluggables) είναι πλέον αρκετά συνηθισμένο ώστε να ανατεθεί σε τρίτους. Η Jabil, από την πλευρά της, ενισχύει την οπτική παραγωγή, που θα μπορούσε ενδεχομένως να εξυπηρετήσει και άλλους πελάτες. Η συνεργασία μεταξύ Intel και Jabil αναδείχθηκε ως μια σημαντική εξέλιξη του κλάδου από αναλυτές optics.org, οι οποίοι τη σημείωσαν ως μέρος της εξέλιξης του οικοσυστήματος.
Η InnoLight Παρουσιάζει Module 1,6 Tb/s (τέλη 2023): Στον αγώνα για υψηλότερες ταχύτητες, η InnoLight, μια κινεζική εταιρεία οπτικών transceivers, ανακοίνωσε ότι πέτυχε ένα πρωτότυπο οπτικού transceiver 1,6 terabits ανά δευτερόλεπτο optics.org. Αυτό πιθανότατα περιλαμβάνει πολλαπλά μήκη κύματος (π.χ. 16×100G ή 8×200G κανάλια) σε πλατφόρμα silicon photonics. Η επίτευξη 1,6 Tb/s σε ένα μόνο module ένα χρόνο νωρίτερα από κάποιους ανταγωνιστές δείχνει την αυξανόμενη ικανότητα της Κίνας στη silicon photonics. Το module της InnoLight θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για uplinks switch top-of-rack ή για διασύνδεση συστημάτων AI. Είναι επίσης μια ένδειξη ότι τα modules 3,2 Tb/s (που θα χρησιμοποιούσαν π.χ. 8 μήκη κύματος στα 400G το καθένα) δεν είναι μακριά – πράγματι, η IDTechX προέβλεψε modules 3,2 Tb/s μέχρι το 2026 optics.org. Αυτό ήταν ένα ρεκόρ που τράβηξε τα φώτα της δημοσιότητας και υπογραμμίζει τον έντονο παγκόσμιο ανταγωνισμό· η Coherent (ΗΠΑ) και άλλοι εργάζονται επίσης σε σχέδια 1.6T και 3.2T optics.org.
Πρόοδος του Φωτονικού Κβαντικού Τσιπ της PsiQuantum (2024): Στο κβαντικό μέτωπο, η PsiQuantum (η οποία είναι μυστικοπαθής αλλά είναι γνωστό ότι συνεργάζεται με την GlobalFoundries) δημοσίευσε μια μελέτη που περιγράφει μια πορεία προς έναν φωτονικό κβαντικό υπολογιστή ανθεκτικό σε απώλειες, και ανακοίνωσε ένα τσιπ που ονομάζεται “Omega” για τη φωτονική κβαντική αρχιτεκτονική της thequantuminsider.com. Αν και δεν είναι ακόμη εμπορικό προϊόν, αυτό δείχνει ότι το υλικό για φωτονικούς κβαντικούς υπολογιστές προοδεύει – με βασικό στοιχείο τη φωτονική πυριτίου. Η προσέγγιση της PsiQuantum απαιτεί την ενσωμάτωση χιλιάδων πηγών και ανιχνευτών μονού φωτονίου. Η είδηση εδώ είναι η επιβεβαίωση της δυνατότητας κατασκευής: ένα άρθρο στο Nature το 2022 έδειξε βασικά εξαρτήματα (πηγές, φίλτρα, ανιχνευτές) σε ένα μόνο φωτονικό τσιπ πυριτίου που θα μπορούσε να κλιμακωθεί nature.com. Αυτό υποδηλώνει ότι βρίσκονται σε καλό δρόμο για ένα ορόσημο γύρω στα μέσα της δεκαετίας του 2020 έως τις αρχές της δεκαετίας του 2030 για ένα πρωτότυπο οπτικό κβαντικό υπολογιστή με ένα εκατομμύριο qubits (ο μακροπρόθεσμος στόχος τους). Τέτοιες εξελίξεις, αν και εξειδικευμένες, παρακολουθούνται στενά καθώς θα μπορούσαν να επαναπροσδιορίσουν τους υπολογισμούς υψηλών επιδόσεων.
Νεοφυείς Επιχειρήσεις Φωτονικής Λιθίου-Νιοβίου Χρηματοδοτήθηκαν (2023): Όπως αναφέρθηκε, δύο νεοφυείς επιχειρήσεις που εστιάζουν στην ενσωμάτωση του LiNbO₃ με τη φωτονική πυριτίου, η HyperLight (ΗΠΑ) και η Lightium (Ελβετία), συγκέντρωσαν συνολικά 44 εκατομμύρια δολάρια το 2023 optics.org. Η είδηση της χρηματοδότησης ήταν αξιοσημείωτη επειδή αναδεικνύει μια τάση: την προσθήκη νέων υλικών στη φωτονική πυριτίου για να ξεπεραστούν τα όρια απόδοσης. Αυτές οι εταιρείες διαφημίζουν διαμορφωτές που μπορούν να λειτουργούν με υψηλότερη γραμμικότητα και σε ευρύ φάσμα μηκών κύματος (από το ορατό έως το μέσο υπέρυθρο) με πολύ χαμηλές απώλειες optics.org. Η άμεση εφαρμογή θα μπορούσε να είναι υπερταχείς διαμορφωτές για επικοινωνίες ή εξειδικευμένες συσκευές για κβαντική και RF φωτονική. Το ευρύτερο σημείο είναι ότι και η επενδυτική κοινότητα στηρίζει την καινοτομία υλικών στη φωτονική, όχι μόνο τις πιο προφανείς νεοφυείς επιχειρήσεις transceiver. Είναι ένδειξη ότι ακόμη και οι εξελίξεις στην επιστήμη υλικών (όπως το TFLN σε μονωτή) μπορούν γρήγορα να μεταβούν σε νεοφυείς επιχειρήσεις και προϊόντα σε αυτόν τον τομέα.
Ενημερώσεις Προτύπων και Κοινοπραξιών (2024–25): Υπάρχουν εξελίξεις στο μέτωπο της τυποποίησης. Η Continuous-Wave WDM MSA (μια κοινοπραξία που ορίζει τυποποιημένες μονάδες πηγών φωτός για co-packaged optics) παρέδωσε τις αρχικές προδιαγραφές για κοινές πηγές λέιζερ που μπορούν να τροφοδοτούν πολλαπλά φωτονικά chips. Αυτό είναι σημαντικό για να διασφαλιστεί η συμβατότητα μεταξύ προμηθευτών για τα co-packaged optics. Επίσης, η κοινοπραξία UCIe (για διασύνδεση chiplet) δημιούργησε μια οπτική ομάδα εργασίας για να εξετάσει πώς μπορούν να τυποποιηθούν οι οπτικοί σύνδεσμοι chiplet. Παράλληλα, οργανισμοί όπως οι COBO (Consortium for On-Board Optics) και CPO Alliance διοργανώνουν συνόδους (π.χ. στο OFC 2024) συζητώντας βέλτιστες πρακτικές για τα co-packaged optics ansys.com. Όλα αυτά δείχνουν ότι ο κλάδος αναγνωρίζει την ανάγκη να εναρμονίσει τα interfaces και να αποφύγει τον κατακερματισμό που θα μπορούσε να επιβραδύνει την υιοθέτηση. Πρόσφατα νέα από το IEEE έδειξαν επίσης πρόοδο στα πρότυπα Ethernet 1.6T και στα σχετικά πρότυπα οπτικών διεπαφών που υποθέτουν τη χρήση τεχνολογιών silicon photonics.
Κυκλοφορίες Προϊόντων: Στην πλευρά των προϊόντων, βλέπουμε πραγματικό hardware να κυκλοφορεί:
- 800G Pluggable Modules: Πολλοί προμηθευτές (Intel, Marvell/Inphi, κ.ά.) ξεκίνησαν τη δειγματοληψία 800G QSFP-DD και OSFP modules το 2024 που χρησιμοποιούν silicon photonics εσωτερικά. Αυτά πιθανότατα θα αναπτυχθούν σε switches και δίκτυα το 2025.
- CPO Demo Kits: Εταιρείες όπως οι Ranovus και IBM παρουσίασαν κιτ ανάπτυξης co-packaged optics development kits – προάγγελο εμπορικών προϊόντων CPO. Για παράδειγμα, το ερευνητικό πρωτότυπο ενός co-packaged switch της IBM παρουσιάστηκε σε λειτουργία, και η Ranovus διαθέτει ένα CPO module με 8×100G μήκη κύματος.
- Προϊόντα Silicon Photonic Lidar: Οι Innovusion (Κίνα) και Voyant Photonics (ΗΠΑ) ανακοίνωσαν πρόοδο στα silicon photonic LiDAR τους. Το τελευταίο LiDAR της Innovusion για οχήματα χρησιμοποιεί ορισμένα silicon photonic εξαρτήματα για να επιτύχει FMCW σε ανταγωνιστικό κόστος. Η Voyant, μια startup από έρευνα του Columbia University, πουλάει στην πραγματικότητα ένα μικροσκοπικό solid-state LiDAR module βασισμένο σε silicon photonics για χρήση σε drones και ρομπότ.
- Optical I/O Chiplets: Μέχρι τα μέσα του 2025, η Ayar Labs σχεδιάζει να έχει το TeraPHY optical I/O chiplet και την SuperNova laser source σε πρώιμη δοκιμή πελατών, προσφέροντας έναν οπτικό σύνδεσμο 8 Tbps για συστήματα HPC. Αν αυτό παραμείνει εντός χρονοδιαγράμματος, θα μπορούσε να είναι μία από τις πρώτες υλοποιήσεις optical I/O σε υπολογιστικό σύστημα (πιθανότατα σε κυβερνητικό εργαστήριο ή πιλοτικό υπερυπολογιστή το 2025–26).

Ο ρυθμός των πρόσφατων ειδήσεων σκιαγραφεί ένα πεδίο που προοδεύει ραγδαία σε πολλαπλά μέτωπα: από τεχνολογικά άλματα στην ταχύτητα (1.6T optics) μέχρι σημαντικές στρατηγικές κινήσεις (outsourcing της Intel, μεγάλοι γύροι χρηματοδότησης) και πρωτοποριακές υλοποιήσεις (οπτικές μηχανές για AI). Είναι μια συναρπαστική περίοδος, καθώς αυτές οι εξελίξεις δείχνουν ότι τα silicon photonics μεταβαίνουν από μια υποσχόμενη τεχνολογία σε μια εμπορική πραγματικότητα με αυξανόμενο αντίκτυπο σε προϊόντα και βιομηχανίες.

Για ένα ευρύ κοινό, το βασικό συμπέρασμα από όλες αυτές τις ειδήσεις είναι ότι η πυριτιούχος φωτονική δεν αποτελεί μια μακρινή υπόσχεση – συμβαίνει τώρα. Οι εταιρείες επενδύουν χρήματα και πόρους σε αυτήν, πραγματικά προϊόντα κυκλοφορούν στην αγορά και κάθε τρίμηνο φέρνει νέα ορόσημα που σπάνε προηγούμενα ρεκόρ. Είναι ένας ταχέως εξελισσόμενος τομέας και ακόμη και οι τεχνολογικά ενημερωμένοι αναγνώστες μπορεί να εκπλαγούν με το πόσο γρήγορα έχουν φτάσει πράγματα όπως τα “οπτικά chiplets” ή τα “modules 1,6 terabit”. Οι ειδήσεις επίσης τονίζουν ότι πρόκειται για μια παγκόσμια κούρσα – με σημαντική δραστηριότητα σε ΗΠΑ, Ευρώπη και Ασία – και ότι εκτείνεται από deep tech startups μέχρι τις μεγαλύτερες εταιρείες μικροτσίπ και παρόχους δικτύων.

Μελλοντική Προοπτική και Προβλέψεις

Κοιτάζοντας μπροστά, το μέλλον της πυριτιούχου φωτονικής φαίνεται εξαιρετικά ελπιδοφόρο, με τη δυνατότητα να επαναπροσδιορίσει την πληροφορική και τις επικοινωνίες την επόμενη δεκαετία. Ακολουθούν ορισμένες προβλέψεις και προσδοκίες για το τι επιφυλάσσει το μέλλον:

Ευρεία Υιοθέτηση στην Πληροφορική: Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 2020, αναμένεται η πυριτιούχος φωτονική να αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό στα συστήματα υψηλών επιδόσεων. Όπως αναφέρθηκε, μέχρι το 2026–2027 οι πρώτοι επεξεργαστές (CPUs), κάρτες γραφικών (GPUs) ή επιταχυντές AI με ενσωματωμένο οπτικό I/O θα πρέπει να εμφανιστούν nextplatform.com. Αρχικά, αυτά μπορεί να αφορούν εξειδικευμένες αγορές (υπερυπολογιστές, συστήματα υψηλής συχνότητας συναλλαγών, προηγμένα AI clusters), αλλά θα ανοίξουν το δρόμο για ευρύτερη υιοθέτηση. Μόλις η τεχνολογία αποδειχθεί και αυξηθούν οι όγκοι παραγωγής, το οπτικό I/O θα μπορούσε να περάσει και σε πιο mainstream servers και συσκευές τη δεκαετία του 2030. Φανταστείτε rack servers όπου κάθε CPU έχει οπτικές θύρες απευθείας στο πακέτο, συνδεδεμένες με έναν οπτικό switch κορυφής rack· αυτό θα μπορούσε να γίνει συνηθισμένο. Το bottleneck μνήμης ίσως επίσης αντιμετωπιστεί με οπτικές συνδέσεις – για παράδειγμα, συνδέοντας οπτικά τα modules μνήμης με τους επεξεργαστές για μεγαλύτερο εύρος ζώνης σε απόσταση (ορισμένοι ερευνητές μιλούν για “οπτική αποσυσσωμάτωση μνήμης” για μεγάλες κοινόχρηστες δεξαμενές μνήμης). Συνοψίζοντας, το data center του μέλλοντος (και κατ’ επέκταση οι cloud υπηρεσίες του μέλλοντος) πιθανότατα θα βασίζονται σε ένα δίκτυο οπτικών διασυνδέσεων σε κάθε επίπεδο, επιτρέποντας την πυριτιούχο φωτονική.
Δικτύωση Terabit για Όλους: Η χωρητικότητα των δικτυακών συνδέσεων θα συνεχίσει να αυξάνεται ραγδαία. Μιλάμε για 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, ακόμα και 6,4 Tb/s οπτικούς πομποδέκτες σε ένα μόνο module μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2030. Αυτές οι ταχύτητες είναι ασύλληπτες – μια σύνδεση 3,2 Tb/s θα μπορούσε να μεταφέρει μια ταινία 4K σε κλάσμα του χιλιοστού του δευτερολέπτου. Ενώ αυτές οι ταχύτητες θα χρησιμοποιούνται σε κορμούς data center και τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, έμμεσα ωφελούν τους καταναλωτές (ταχύτερο ίντερνετ, πιο αξιόπιστες cloud υπηρεσίες). Μέχρι το 2035, οι αναλυτές προβλέπουν ότι η αγορά φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων θα φτάσει τα $50+ δισεκατομμύρια, κυρίως χάρη σε αυτούς τους πομποδέκτες για AI και data centers optics.org. Ίσως δούμε τα 800G και 1.6T να γίνονται τα νέα 100G, δηλαδή να αποτελούν τις βασικές συνδέσεις στα δίκτυα. Και καθώς αυξάνεται ο όγκος, το κόστος ανά bit θα πέφτει, καθιστώντας τη γρήγορη συνδεσιμότητα φθηνότερη και πιο διαδεδομένη. Είναι πιθανό ακόμα και καταναλωτικές συσκευές (όπως ένα VR headset που χρειάζεται σύνδεση πολύ υψηλού bandwidth με PC ή κονσόλα) να χρησιμοποιούν οπτικό USB ή οπτικό Thunderbolt καλώδιο για να μεταφέρουν δεκάδες ή εκατοντάδες gigabit χωρίς καθυστέρηση ή απώλεια.
Επαναστατικοποιώντας τις Τηλεπικοινωνίες: Στις τηλεπικοινωνίες, η πυριτιούχος φωτονική θα βοηθήσει στην υλοποίηση εντελώς οπτικών δικτύων με πολύ μεγαλύτερη αποδοτικότητα. Η συνεκτική οπτική επικοινωνία με ενσωματωμένη φωτονική πιθανότατα θα κλιμακωθεί πάνω από 1 Tb/s ανά μήκος κύματος (με προηγμένους αστερισμούς και ίσως ενσωματωμένους DSPs πομποδεκτών). Αυτό θα μπορούσε να καταστήσει τα πολυ-τεραβιτικά οπτικά κανάλια οικονομικά, μειώνοντας τον αριθμό των lasers/ινών που απαιτούνται. Η πυριτιούχος φωτονική θα κάνει επίσης τα reconfigurable optical add-drop multiplexers (ROADMs) και άλλο εξοπλισμό δικτύου πιο συμπαγή και ενεργειακά αποδοτικά, διευκολύνοντας έτσι την ανάπτυξη δικτύων 5G/6G μεγαλύτερης χωρητικότητας και καλύτερης υποδομής fiber-to-the-home. Ένας συγκεκριμένος τομέας που αξίζει να προσέξουμε είναι τα integrated lasers for cable TV / fiber access: φθηνά ρυθμιζόμενα lasers σε πυρίτιο θα μπορούσαν να επιτρέψουν σε κάθε σπίτι να έχει συμμετρική σύνδεση οπτικής ίνας 100G, για παράδειγμα. Ενσωματώνοντας οπτικές λειτουργίες, οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι μπορούν να απλοποιήσουν τα κεντρικά γραφεία και τα head-ends. Έτσι, το συνολικό αποτέλεσμα θα είναι ακόμα ταχύτερες και πιο αξιόπιστες υπηρεσίες διαδικτύου με ενδεχομένως χαμηλότερο κόστος, με κινητήρια δύναμη τα πυριτιούχα φωτονικά chips.
Υπολογιστική AI και Οπτικές Μηχανές: Στον τομέα της AI, αν εταιρείες όπως η Lightmatter και η Lightelligence πετύχουν, ίσως δούμε τους πρώτους οπτικούς συνεπεξεργαστές σε data centers. Αυτοί θα επιταχύνουν τους πολλαπλασιασμούς πινάκων ή τα γραφηματικά analytics με φως, προσφέροντας ενδεχομένως άλματα στην απόδοση ανά watt. Είναι πιθανό μέσα σε 5 χρόνια, ορισμένα data centers να έχουν racks με οπτικούς επιταχυντές AI δίπλα σε GPUs, αναλαμβάνοντας εξειδικευμένες εργασίες εξαιρετικά γρήγορα (π.χ. υπερταχεία εξαγωγή συμπερασμάτων για υπηρεσίες σε πραγματικό χρόνο). Ακόμα κι αν οι πλήρως οπτικοί υπολογιστές παραμείνουν κάπως περιορισμένοι, η υβριδική ηλεκτρο-οπτική προσέγγιση (ηλεκτρονικά για λογικό έλεγχο, φωτονική για βαριά μεταφορά δεδομένων και πράξεις πολλαπλασιασμού-συσσώρευσης) θα μπορούσε να γίνει βασική στρατηγική για τη διατήρηση της κλιμάκωσης της απόδοσης AI. Μειώνοντας τη θερμότητα και την κατανάλωση ενέργειας, η φωτονική μπορεί να βοηθήσει να παραμείνει εφικτή η εκπαίδευση AI καθώς τα μοντέλα κλιμακώνονται σε τρισεκατομμύρια παραμέτρους. Εν ολίγοις, η πυριτιούχος φωτονική ίσως είναι το μυστικό συστατικό που θα επιτρέψει την επόμενη αύξηση 1000× στο μέγεθος/δεδομένα εκπαίδευσης AI χωρίς να λιώσει το ηλεκτρικό δίκτυο.
Επίδραση στην Καταναλωτική Τεχνολογία: Ενώ μεγάλο μέρος της φωτονικής πυριτίου βρίσκεται σήμερα σε μεγάλες υποδομές (data centers, δίκτυα), τελικά θα διαχυθεί και σε καταναλωτικές συσκευές. Ένας προφανής υποψήφιος είναι τα AR/VR headsets (όπου χρειάζεται να μεταφερθούν τεράστια δεδομένα σε μικροσκοπικές οθόνες και κάμερες – τα οπτικά διασυνδετικά θα μπορούσαν να βοηθήσουν). Ένας άλλος είναι τα καταναλωτικά LiDAR ή αισθητήρες βάθους – μελλοντικά smartphones ή wearables θα μπορούσαν να έχουν μικροσκοπικούς φωτονικούς αισθητήρες πυριτίου για παρακολούθηση υγείας (όπως στόχευε η Rockley Photonics) ή για 3D σάρωση του περιβάλλοντος. Η Mobileye της Intel έχει ήδη ανακοινώσει ότι το φωτονικό LiDAR πυριτίου της θα βρίσκεται σε αυτοκίνητα, οπότε μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 2020, το νέο σας αυτοκίνητο ίσως έχει ένα ενσωματωμένο φωτονικό chip που καθοδηγεί αθόρυβα τους αισθητήρες αυτόνομης οδήγησης tanaka-preciousmetals.com. Με την πάροδο του χρόνου, καθώς το κόστος πέφτει, περισσότεροι τέτοιοι αισθητήρες θα μπορούσαν να εμφανιστούν σε καθημερινές συσκευές (φανταστείτε smartwatches που χρησιμοποιούν φωτονικό αισθητήρα πυριτίου για μη επεμβατική παρακολούθηση γλυκόζης ή αιματολογικών αναλύσεων μέσω οπτικής φασματοσκοπίας στον καρπό σας – εταιρείες πράγματι εργάζονται πάνω σε αυτή την ιδέα). Ακόμα και σε high-end ήχο/εικόνα, τα οπτικά chips θα μπορούσαν να βελτιώσουν τις κάμερες (LiDAR για εστίαση ή 3D χαρτογράφηση στη φωτογραφία) ή να επιτρέψουν ολογραφικές οθόνες με διαμόρφωση φωτός σε μικροσκοπική κλίμακα (λίγο υποθετικό, αλλά όχι αδύνατο καθώς οι spatial light modulators σε πυρίτιο βελτιώνονται). Έτσι, σε μια δεκαετία, οι καταναλωτές ίσως χρησιμοποιούν φωτονική πυριτίου στις συσκευές τους χωρίς να το γνωρίζουν, όπως σήμερα χρησιμοποιούμε παντού MEMS αισθητήρες χωρίς να το σκεφτόμαστε.
Φωτονική στη Κβαντική Σφαίρα: Αν κοιτάξουμε πιο μακριά στο μέλλον, οι κβαντικές φωτονικές τεχνολογίες ίσως ωριμάσουν. Αν η PsiQuantum ή άλλοι τα καταφέρουν, θα μπορούσαμε να έχουμε έναν κβαντικό υπολογιστή φωτονίων που να ξεπερνά τους κλασικούς υπερυπολογιστές για ορισμένες εργασίες – με ίσως εκατομμύρια διεμπλεκόμενα φωτόνια να επεξεργάζονται στο chip. Αυτό θα ήταν ένα μνημειώδες επίτευγμα, ίσως εξίσου μετασχηματιστικό με τους πρώτους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Αν και αυτό ίσως είναι μετά το 2030, η πρόοδος στο μεταξύ θα μπορούσε να φέρει κβαντικούς προσομοιωτές ή δικτυωμένα συστήματα κβαντικής επικοινωνίας με χρήση φωτονικής πυριτίου. Για παράδειγμα, ασφαλείς συνδέσεις κβαντικής επικοινωνίας (QKD δίκτυα) θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε δίκτυα πόλεων με τυποποιημένους φωτονικούς πομπούς QKD πυριτίου σε data centers. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα για κβαντικούς αισθητήρες σε chip (όπως οπτικά γυροσκόπια με κβαντική ευαισθησία) να βρουν χρήση στην πλοήγηση ή την επιστήμη.
Συνεχιζόμενη Έρευνα και Νέοι Ορίζοντες: Ο τομέας της φωτονικής πυριτίου θα συνεχίσει να εξελίσσεται. Οι ερευνητές ήδη εξερευνούν την 3D ενσωμάτωση – στοίβαξη φωτονικών chips με ηλεκτρονικά για ακόμα στενότερη σύζευξη (κάποιοι εξετάζουν micro-bumps ή τεχνικές συγκόλλησης για να τοποθετήσουν ένα φωτονικό interposer κάτω από έναν CPU, για παράδειγμα). Υπάρχει επίσης συζήτηση για οπτική δικτύωση στο chip (ONoC), όπου αντί ή επιπλέον των ηλεκτρικών δικτύων-on-chip, οι επεξεργαστές χρησιμοποιούν φως για επικοινωνία μεταξύ πυρήνων. Αν κάποτε οι πολυπύρηνοι επεξεργαστές χρησιμοποιούν εσωτερικά οπτικά δίκτυα, θα μπορούσε να εξαλειφθεί το bottleneck εύρους ζώνης εντός του chip (αυτό είναι λίγο πιο μακρινό, αλλά έχει αποδειχθεί εργαστηριακά). Η Νανο-φωτονική θα μπορούσε επίσης να παίξει ρόλο: πλασμονικά ή νανοκλίμακας οπτικά εξαρτήματα που λειτουργούν σε πολύ υψηλές ταχύτητες ή εξαιρετικά μικρό αποτύπωμα, ενδεχομένως ενσωματωμένα με τη φωτονική πυριτίου για συγκεκριμένες εργασίες (όπως υπερ-συμπαγείς διαμορφωτές). Και ποιος ξέρει, ίσως κάποια μέρα κάποιος πετύχει το Άγιο Δισκοπότηρο ενός laser πυριτίου με κάποιο έξυπνο υλικό – που πραγματικά θα απλοποιούσε την ενσωμάτωση φωτονικής.
Προοπτικές Αγοράς και Βιομηχανίας: Οικονομικά, πιθανότατα θα δούμε την άνθηση της αγοράς της πυριτιούχου φωτονικής. Σύμφωνα με την IDTechX, μέχρι το 2035 προβλέπεται ότι περίπου 54 δισεκατομμύρια δολάρια σε αξία αγοράς optics.org. Αξιοσημείωτο είναι ότι, ενώ οι επικοινωνίες δεδομένων θα αποτελέσουν το μεγαλύτερο μέρος, εκτιμάται ότι περίπου ~$11 δισεκατομμύρια από αυτά θα προέλθουν από μη-δεδομενικές εφαρμογές (τηλεπικοινωνίες, lidar, αισθητήρες, κβαντική τεχνολογία, κ.λπ.) optics.org. Αυτό σημαίνει ότι τα οφέλη της τεχνολογίας θα διαχυθούν σε πολλούς τομείς. Ίσως δούμε επίσης μεγάλες ανακατατάξεις ή συνεργασίες στη βιομηχανία: για παράδειγμα, θα μπορούσε ένας τεχνολογικός κολοσσός να εξαγοράσει μία από τις νεοφυείς εταιρείες-μονόκερους της φωτονικής (φανταστείτε τη Nvidia να αγοράζει την Ayar Labs ή τη Lightmatter για να εξασφαλίσει προβάδισμα στην οπτική υπολογιστική); Είναι πιθανό καθώς τα διακυβεύματα αυξάνονται. Επιπλέον, ο διεθνής ανταγωνισμός θα μπορούσε να ενταθεί – ίσως δούμε σημαντικές επενδύσεις από κυβερνήσεις για να διασφαλίσουν την ηγεσία (όπως θεωρείται στρατηγικής σημασίας η βιομηχανία ημιαγωγών). Η πυριτιούχος φωτονική μπορεί να γίνει βασικό μέρος των εθνικών τεχνολογικών στρατηγικών, κάτι που μπορεί να ενισχύσει περαιτέρω τη χρηματοδότηση Ε&Α και τις υποδομές.

Σε ευρύτερο πλαίσιο, αν κάνουμε ένα βήμα πίσω, το μέλλον με την πυριτιούχο φωτονική είναι ένα όπου τα όρια μεταξύ υπολογισμού και επικοινωνίας θολώνουν. Η απόσταση γίνεται λιγότερο περιοριστική – τα δεδομένα μπορεί να ταξιδεύουν μέσα σε ένα chip ή μεταξύ πόλεων με την ίδια ευκολία πάνω σε οπτικές ίνες. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει αρχιτεκτονικές όπως η κατανεμημένη υπολογιστική, όπου η φυσική τοποθεσία των πόρων έχει μικρή σημασία επειδή οι οπτικές συνδέσεις κάνουν τη λανθάνουσα καθυστέρηση χαμηλή και το εύρος ζώνης υψηλό. Θα μπορούσαμε να δούμε πραγματικά αποσυνδεδεμένα data centers όπου η υπολογιστική ισχύς, η αποθήκευση και η μνήμη συνδέονται οπτικά σαν τουβλάκια LEGO. Τα ενεργειακά οφέλη από τη φωτονική θα μπορούσαν επίσης να συμβάλουν σε πιο πράσινες ΤΠΕ, κάτι σημαντικό καθώς η ενεργειακή κατανάλωση των ψηφιακών υποδομών αυξάνεται.

Δανειζόμενοι τα λόγια ενός βετεράνου της βιομηχανίας, «το ταξίδι για την κλιμάκωση της πυριτιούχου φωτονικής είναι τόσο συναρπαστικό όσο και απαιτητικό.» laserfocusworld.com Τα επόμενα χρόνια αναμφίβολα θα έχουν εμπόδια, αλλά υπάρχει μια συλλογική αποφασιστικότητα σε ακαδημαϊκό και βιομηχανικό επίπεδο να τα ξεπεράσουμε. Μέσα από συνεργασία και καινοτομία – ευθυγραμμίζοντας την επιστήμη υλικών, τη μηχανική ημιαγωγών και τη φωτονική – οι ειδικοί είναι βέβαιοι ότι θα ανταποκριθούμε στις προκλήσεις και θα ξεκλειδώσουμε το πλήρες δυναμικό της πυριτιούχου φωτονικής laserfocusworld.com. Η μελλοντική προοπτική είναι ότι αυτή η τεχνολογία θα μετακινηθεί από το περιθώριο (συνδέοντας τις συσκευές μας ή ενισχύοντας εξειδικευμένα συστήματα) στην ίδια την καρδιά της υπολογιστικής και της συνδεσιμότητας. Ουσιαστικά, είμαστε μάρτυρες της αυγής μιας νέας εποχής – μιας εποχής όπου το φως, όχι μόνο τα ηλεκτρόνια, μεταφέρει το ζωτικό αίμα της πληροφορίας μέσα από τις συσκευές και τα δίκτυα που στηρίζουν τη σύγχρονη ζωή. Και αυτή είναι πραγματικά μια επαναστατική αλλαγή που θα ξεδιπλωθεί την επόμενη δεκαετία και μετά.

Πηγές: Ορισμοί και πλεονεκτήματα της φωτονικής πυριτίου ansys.com ansys.com· εφαρμογές σε ανίχνευση, LiDAR, κβαντική ansys.com ansys.com· τάσεις σε data center και AI laserfocusworld.com, optics.org· αποσπάσματα ειδικών και αναλύσεις laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com· ηγέτες του κλάδου expertmarketresearch.com· πρόσφατες ειδήσεις και επενδύσεις datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com· μελλοντικές προβλέψεις optics.org

Επανάσταση στη Σιλικονούχα Φωτονική – Τεχνολογία Ταχύτητας Φωτός που Μεταμορφώνει την Τεχνητή Νοημοσύνη, τα Κέντρα Δεδομένων & άλλα

Τι είναι η Φωτονική Πυριτίου και Πώς Λειτουργεί;

Βασικές Εφαρμογές της Φωτονικής Πυριτίου