מהפכת הפוטוניקה הסיליקונית – טכנולוגיה במהירות האור שמעצבת מחדש את הבינה המלאכותית, מרכזי הנתונים ועוד

פוטוניקה מבוססת סיליקון עושה שימוש במעגלים משולבים פוטוניים (PICs) מסיליקון כדי לשלוט באור לצורך עיבוד נתונים ותקשורת, ומאפשרת קישוריות בתוך השבב ובין שבבים במהירויות כמו 100 ג'יגה-ביט לשנייה ו-400 ג'יגה-ביט לשנייה.
שבב פוטוני מסיליקון בגודל של ציפורן יכול להכיל עשרות ערוצי לייזר, ובעזרת ריבוב צפוף לפי אורך גל, להעביר טרה-ביטים של נתונים.
קישורים בין מרכזי נתונים נהנים מקישורים אופטיים שצורכים פחות חשמל ומספקים צפיפות גבוהה יותר, עם אבות-טיפוס כמו שבבי מיתוג של 51.2 טרה-ביט לשנייה עם קלט/פלט אופטי משולב שכבר הודגמו.
בשנת 2024, Ayar Labs הדגימה שבב אופטי המספק רוחב פס של 8 טרה-ביט לשנייה באמצעות 16 אורכי גל, ובסבב גיוס D בסוף 2024 גייסה 155 מיליון דולר בהשתתפות Nvidia, AMD ו-Intel, מה שהעלה את שוויה ליותר ממיליארד דולר.
אינטל העבירה את ייצור המשדרים הפוטוניים מסיליקון שלה ל-Jabil בסוף 2023 לאחר שסיפקה מעל 8 מיליון שבבי משדרים פוטוניים מאז 2016.
InnoLight הדגימה אב-טיפוס של משדר אופטי בקצב 1.6 טרה-ביט לשנייה בסוף 2023, עם מודולים של 3.2 טרה-ביט לשנייה הצפויים עד 2026, כאשר קישורים מרובי טרה-ביט מתקרבים.
המכון האמריקאי AIM Photonics קיבל תוכנית של 321 מיליון דולר לשבע שנים עד 2028 לקידום ייצור פוטוניקה משולבת בארה"ב, מה שמאפשר קו ייצור ואריזה של פוטוניקה מסיליקון בניו יורק.
בשנת 2023 Broadcom הדגימה אבות-טיפוס של מתגי אופטיקה משולבת בקצב 25.6 טרה-ביט לשנייה ו-51.2 טרה-ביט לשנייה עם מנועי לייזר פוטוניים משולבים.
Lightmatter גייסה 400 מיליון דולר בסבב D ב-2024 למימון פלטפורמת מאיץ ה-AI האופטי שלה, ו-PsiQuantum הציגה בפומבי מסלול למחשב קוונטי פוטוני עמיד לאובדן עם שבב Omega שלה ב-2024.
אנליסטים צופים ששוק הפוטוניקה מסיליקון יגיע לכ-54 מיליארד דולר עד 2035, כאשר כ-11 מיליארד דולר יגיעו מיישומים שאינם קשורים לנתונים, בעיקר בשל הצרכים של מרכזי נתונים ל-AI.

מהי פוטוניקה מסיליקון וכיצד היא פועלת?

פוטוניקה מסיליקון היא טכנולוגיה המשתמשת ב-מעגלים משולבים פוטוניים (PICs) מבוססי סיליקון כדי לשלוט באור (פוטונים) לעיבוד ותקשורת. בפשטות, מדובר בבניית רכיבים אופטיים (כמו לייזרים, מודולטורים וגלאים) על שבבי סיליקון בדומה לאופן שבו בונים מעגלים אלקטרוניים. שבבים פוטוניים מסיליקון אלו יכולים לשלוח ולקבל נתונים באמצעות אור, מה שמאפשר העברת נתונים מהירה במיוחד עם רוחב פס גבוה ואובדן אנרגיה נמוך ansys.com. רכיבים מרכזיים כוללים מוליכי גל (מעין "חוטים" אופטיים זעירים שמובילים את האור על השבב), מודולטורים (שמקודדים נתונים על קרני האור), לייזרים (שלרוב מוספים מחומרים אחרים כי סיליקון עצמו לא פולט אור), וגלאים פוטוניים (להמרת האור הנכנס חזרה לאותות חשמליים) ansys.com. על ידי שילוב כל אלה על פלטפורמת סיליקון, מהנדסים מנצלים את טכנולוגיית ייצור השבבים (CMOS) המפותחת לייצור המוני של רכיבים פוטוניים, ומשלבים את מהירות האור עם קנה המידה של ייצור שבבים מודרני ansys.com.

איך זה עובד? במקום פולסים חשמליים בחוטי נחושת, מעגלים פוטוניים מסיליקון משתמשים באור לייזר אינפרא-אדום הזורם דרך מוליכי גל בקנה מידה מיקרוני. הסיליקון שקוף לאורך גל אינפרא-אדום, מה שמאפשר לאור להתפשט עם אובדן מינימלי כאשר הוא כלוא על ידי חומרים מסביב כמו סיליקה (SiO2) בעלי מקדם שבירה נמוך יותר ansys.com ansys.com. הנתונים מקודדים על גבי גלי האור באמצעות מודולטורים שיכולים לשנות במהירות את עוצמת האור או את הפאזה שלו. בקצה השני, פוטודטקטורים על השבב ממירים את האותות האופטיים חזרה לצורה חשמלית. מכיוון שאור מתנדנד בתדרים גבוהים בהרבה מאשר אותות חשמליים, קישורים אופטיים יכולים להעביר הרבה יותר נתונים בשנייה מאשר חוטי נחושת. סיב או מוליך גל זעיר אחד יכול לשדר עשרות או מאות ג'יגה-ביט לשנייה, ובעזרת שימוש במספר אורכי גל (ריבוב בצפיפות גבוהה), סיב בודד יכול לשאת טרה-ביטים של נתונים. במונחים מעשיים, פוטוניקה מסיליקון מאפשרת תקשורת על-שבבית או בין שבבים במהירויות כמו 100 ג'יגה-ביט לשנייה, 400 ג'יגה-ביט לשנייה או יותר, מה שהיה דורש מסלולי נחושת רבים או פשוט לא היה אפשרי למרחקים ארוכים יותר ansys.com optics.org.

התקנים פוטוניים מסיליקון הם קומפקטיים, מהירים ויעילים אנרגטית. אור יכול לעבור במוליכי גל עם התנגדות נמוכה מאוד (ללא קיבול חשמלי או בעיות חימום שמופיעות בנחושת במהירויות גבוהות), מה שאומר פוטנציאל לצריכת חשמל נמוכה יותר להעברת נתונים. ניתוח אחד מציין שקישורים אופטיים יכולים להקל משמעותית על צווארי בקבוק של נתונים ולהפחית חום במערכות עתירות ביצועים – "קישורים אופטיים, המופעלים על ידי פוטוניקה מסיליקון, הם הדרך הסקלבילית היחידה קדימה" כדי להתמודד עם דרישות רוחב הפס ההולכות וגדלות laserfocusworld.com. בקיצור, פוטוניקה מסיליקון משלבת את פלטפורמת השבבים מסיליקון הזולה והמתאימה לייצור המוני עם פיזיקת האור, ויוצרת "מעגלים לפוטונים" על שבב ansys.com. טכנולוגיה זו מאפשרת לנו להעביר נתונים במהירות האור ממש בהקשרים שבהם האלקטרוניקה המסורתית מגיעה למגבלותיה.

יישומים מרכזיים של פוטוניקה מסיליקון

פוטוניקה מסיליקון החלה בתקשורת בסיבים אופטיים, אך כיום זו פלטפורמה רב-שימושית שמוצאת שימושים במגוון תחומים מתקדמים. בזכות המהירות הגבוהה והיעילות האנרגטית שלה, כל תחום שצריך להעביר כמויות עצומות של נתונים (או לשלוט באור בדיוק רב) הוא מועמד מתאים. הנה כמה מהיישומים המרכזיים:

מרכזי נתונים ורשתות ענן מהירות במיוחדאחד מהיישומים החשובים ביותר הוא בתוך מרכזי נתונים ומחשבי-על, שם פוטוניקה מבוססת סיליקון נותנת מענה לצורך הדחוף בקישורים מהירים ויעילים יותר. מרכזי נתונים מודרניים וhyperscale data centers מטפלים בזרימות נתונים עצומות בין שרתים, ארונות תקשורת וברחבי רשתות קמפוס. כבלי נחושת ומתגים חשמליים מסורתיים הופכים יותר ויותר לצוואר בקבוק – הם צורכים יותר מדי חשמל ואינם יכולים להתרחב מעבר למרחקים או מהירויות מסוימות (לדוגמה, קישורי נחושת של 100 ג'יגה-ביט לשנייה עובדים רק לאורך של כמה מטרים). קישורים פוטוניים מבוססי סיליקון פותרים זאת באמצעות שימוש בסיבים אופטיים ומנועים אופטיים על גבי לוחות לחיבור שרתים ומתגים במהירויות גבוהות מאוד עם אובדן מינימלי. Optical transceivers מבוססי פוטוניקה של סיליקון כבר מחליפים או משלימים חיבורים חשמליים לתקשורת בין ארונות ואפילו בתוך ארון tanaka-preciousmetals.com.סיסקו ואינטל היו חלוצות בתחום זה: סיסקו כיום מתכננת משדרים-מקלטים אופטיים מהירים הניתנים לחיבור באמצעות פוטוניקה מבוססת סיליקון כדי לחבר ציוד רשת expertmarketresearch.com. גם אינטל ניצלה את הפוטוניקה מבוססת הסיליקון כדי לשפר את קישוריות מרכזי הנתונים, שלחה מיליוני שבבי משדר-מקלט אופטיים של 100G וכעת מגדילה ייצור של מודולים אופטיים של 200G, 400G, ואף דוגמת מודולים של 800G tanaka-preciousmetals.com. המוטיבציה ברורה – כאשר קצבי הנתונים מוכפלים מ-100G ל-200G ול-400G, הטווח של הנחושת מצטמצם באופן דרמטי. "כשאתה נכנס היום למרכז נתונים, תראה כבלי נחושת של 100 ג'יגה-ביט לשנייה שמחברים שרתים למתג העליון של הארון… הכבלים האלה טובים לארבעה מטרים בערך. אבל כל מה שמעבר לארון כבר משתמש באופטיקה," מציין רוברט בלום, מנהל בכיר לפוטוניקה באינטל, ומוסיף כי "כשאנחנו מעלים את קצבי הנתונים ל-200 או 400 ג'יגה-ביט לשנייה, הטווח של הנחושת נהיה קצר בהרבה ואנחנו מתחילים לראות את המגמה שבה האופטיקה מגיעה עד לשרת." tanaka-preciousmetals.com באשכולות מחשוב עתיר ביצועים (HPC) ובמחשבי-על לאינטליגנציה מלאכותית, שבהם אלפי מעבדים זקוקים לקישורים בעלי השהיה נמוכה, קישורים אופטיים מספקים את רוחב הפס הנדרש להזנת כל השבבים בנתונים ansys.com, laserfocusworld.com. על ידי שילוב פוטוניקה על גבי המתג ואפילו בתוך מארזי המעבדים (מה שנקרא "אופטיקה משולבת"), רשתות מרכזי הנתונים של העתיד ישיגו קצבי העברה גבוהים בהרבה. למעשה, שבבי מיתוג של 51.2 טרה-ביט לשנייה עם ממשקי I/O אופטיים משולבים כבר באופק, ואבות-טיפוס כבר הודגמו tanaka-preciousmetals.com.היתרונות עבור מרכזי נתונים הם משמעותיים: צריכת חשמל נמוכה יותר (קישורים אופטיים מבזבזים הרבה פחות אנרגיה כחום לעומת דחיפת אלקטרונים דרך נחושת בעשרות גיגה-הרץ), צפיפות גבוהה יותר (ניתן למקסס ערוצים אופטיים רבים מבלי לחשוש מהפרעות אלקטרומגנטיות), ו-טווח ארוך יותר (אותות אופטיים יכולים לעבור קילומטרים במידת הצורך). המשמעות היא שפוטוניקה מבוססת סיליקון מסייעת למרכזי נתונים להגדיל ביצועים מבלי להיחסם על ידי מגבלות קישוריות. אנליסט שוק אחד ציין שמרכזי נתונים ממוקדי בינה מלאכותית יוצרים ביקוש חסר תקדים למשדרים אופטיים בעלי ביצועים גבוהים, וטען כי "פוטוניקה מבוססת סיליקון ו-PICs נמצאים בחזית המהפכה הזו, עם היכולת שלהם להעביר נתונים במהירויות של 1.6 טרה-ביט לשנייה ומעלה." optics.org במונחים מעשיים, שבב פוטוני יחיד בגודל של ציפורן יכול להכיל עשרות ערוצי לייזר, יחד נושאים טרה-ביטים של נתונים – קריטי לתשתיות ענן מהדור הבא.

האצת בינה מלאכותית ולמידת מכונה

ההתפוצצות של בינה מלאכותית ולמידת מכונה היא מקרה מיוחד של יישום מרכז נתונים – היא ראויה לאזכור נפרד כי בינה מלאכותית יוצרת דרישות ייחודיות והניעה שימושים חדשים לפוטוניקה מבוססת סיליקון. אימון מודלים מתקדמים של בינה מלאכותית (כמו מודלי שפה גדולים שמפעילים צ'אטבוטים) כולל חישובים מקבילים מסיביים המפוזרים על פני מעבדי GPU רבים או מאיצי בינה מלאכותית ייעודיים. שבבים אלה צריכים להחליף כמויות עצומות של נתונים למשימות כמו אימון מודלים, ולעיתים קרובות ממלאים לחלוטין קישורים חשמליים קונבנציונליים. פוטוניקה מבוססת סיליקון מציעה יתרון כפול לבינה מלאכותית: קישוריות ברוחב פס גבוה ואפילו פוטנציאל לחישוב אופטי.

בצד הקישוריות, מפתחים קישורים אופטיים שמתחברים ישירות לשבבי מאיץ AI או לזיכרון באמצעות אור (לעיתים נקרא optical I/O). על ידי החלפת לוח האם המסורתי של השרת או התקשורת בין GPU ל-GPU בסיב אופטי, מערכות AI יכולות להפחית משמעותית את השהיית התקשורת ואת צריכת החשמל. לדוגמה, סטארטאפים כמו Ayar Labs יוצרים שבבי optical I/O שממוקמים לצד המעבדים ומשדרים נתונים פנימה והחוצה באמצעות אור, ובכך מבטלים את הצורך בצמות צפופות של חוטי נחושת. בשנת 2024, Ayar Labs הדגימה שבב אופטי שמספק רוחב פס של 8 Tbps באמצעות 16 אורכי גל שונים – סימן לאיך עשויים להיראות קישוריות ה-AI בדור הבא businesswire.com. יצרניות השבבים הגדולות שמות לב: Nvidia, AMD ו-Intel השקיעו כל אחת ב-Ayar Labs כחלק מסבב גיוס של 155 מיליון דולר, מתוך הימור שקישוריות אופטית תהיה המפתח להרחבת חומרת ה-AI בעתיד nextplatform.com. כפי שכתב עיתונאי אחד, אם אי אפשר להשיג מספיק מהירות רק על ידי האצת השבבים, "הדבר הבא הכי טוב להשקיע בו הוא כנראה סוג כלשהו של optical I/O." nextplatform.com

מעבר להעברת נתונים בין שבבי AI, פוטוניקה סיליקונית מאפשרת גם מחשוב אופטי ל-AI. המשמעות היא ביצוע חישובים מסוימים (כמו כפל מטריצות ברשתות נוירונים) באמצעות אור במקום חשמל, מה שעשוי לעקוף חלק מהמגבלות של מהירות וצריכת אנרגיה במאיצי AI אלקטרוניים של היום. חברות כמו Lightmatter ו-Lightelligence בנו דגמי אבטיפוס של מעבדים פוטוניים המשתמשים בהתאבכות של אור במוליכי גלים מסיליקון כדי לחשב תוצאות במקביל. בסוף 2024, Lightmatter גייסה סכום מרשים של 400 מיליון דולר בסבב D (והגיעה לשווי של 4.4 מיליארד דולר) כדי לקדם את טכנולוגיית המחשוב האופטי שלה nextplatform.com. למרות שמדובר בטכנולוגיה מתפתחת, מאיצי AI פוטוניים אלה מבטיחים ביצוע רשתות נוירונים במהירות גבוהה במיוחד, עם השהיה נמוכה וצריכת חשמל נמוכה בהרבה, שכן פוטונים מייצרים חום מזערי לעומת מיליארדי אירועי מיתוג של טרנזיסטורים.

בסך הכל, ככל שמודלים של בינה מלאכותית גדלים בגודל ובמורכבות (ודורשים אשכולות של עשרות אלפי שבבים), פוטוניקה מבוססת סיליקון נתפסת כ“שינוי פרדיגמה” שיכול להתגבר על צווארי הבקבוק התקשורתיים בתשתיות הבינה המלאכותית laserfocusworld.com. היא מציעה דרך להגדיל את רוחב הפס בין מעבדים באופן ליניארי לפי הביקוש, דבר שקישורים חשמליים מתקשים בו. משקיפי תעשייה צופים שטכנולוגיות אופטיות (כמו אופטיקה משולבת-חבילה, קישורים אופטיים בין שבבים, ואולי גם רכיבי מחשוב פוטוניים) יהפכו לסטנדרט במערכות בינה מלאכותית בשנים הקרובות – ולא רק לניסוי נישתי. למעשה, לפי הערכה אחת, מרכזי נתוני בינה מלאכותית יגדלו כל כך מהר (צמיחה שנתית ממוצעת של 50% בצריכת חשמל) שעד 2030 הם עלולים להיות לא ברי-קיימא עם ממשקי I/O חשמליים קיימים, מה שהופך את הפוטוניקה מבוססת הסיליקון ל“חלק בלתי נפרד מתשתיות העתיד שלנו” כדי לשמור על קנה מידה של בינה מלאכותית laserfocusworld.com.

טלקומוניקציה ורשתות

לפוטוניקה מבוססת סיליקון יש שורשים בתחום הטלקום, והיא ממשיכה לחולל מהפכה באופן שבו אנו מעבירים נתונים למרחקים ארוכים. ברשתות טלקומוניקציה בסיבים אופטיים – בין אם מדובר בעמוד השדרה של האינטרנט, כבלים תת-ימיים, או רשתות מטרו וגישה – פוטוניקה משולבת משמשת לייצור משדרים-מקלטים אופטיים שהם קטנים, מהירים וזולים יותר. מערכות תקשורת אופטית מסורתיות הסתמכו לעיתים קרובות על רכיבים נפרדים (לייזרים, מודולטורים, גלאים שהורכבו בנפרד), אך אינטגרציה פוטונית מבוססת סיליקון יכולה לשלב רבים מהרכיבים הללו על שבב אחד, לשפר את האמינות ולהפחית את עלויות ההרכבה tanaka-preciousmetals.com.

כיום, מודולי משדר-מקלט אופטיים המשתמשים בפוטוניקה סיליקונית נפוצים בקישורי דאטה סנטרים ומאומצים יותר ויותר בתשתיות טלקום עבור 100G, 400G ומעבר לכך. לדוגמה, חברות כמו Infinera ו-Cisco (Acacia) פיתחו משדרי-מקלט אופטיים קוהרנטיים המשתמשים בפוטוניקה סיליקונית עבור קישורי 400G ו-800G ברשתות טלקום. גם רשתות פס רחב ו-5G/6G אלחוטיות נהנות – קישורי הסיבים שמחברים אנטנות סלולריות או מעבירים נתוני fronthaul/backhaul יכולים להיות יעילים יותר עם פוטוניקה סיליקונית. אינטל הדגישה כי פוטוניקה סיליקונית תשחק תפקיד ב-“פריסות 5G מהדור הבא המשתמשות בגורמי צורה קטנים יותר ומהירויות גבוהות יותר, מ-100G כיום ועד 400G ומעבר לכך בעתיד” expertmarketresearch.com. היכולת לשלב עשרות אורכי גל של לייזר על שבב שימושית עבור מערכות DWDM (ריבוב חלוקת אורך גל צפופה), בהן מפעילי טלקום משתמשים כדי לדחוס יותר ערוצים לכל סיב. ב-2023, חברה סינית בשם InnoLight אף הדגימה משדר-מקלט אופטי בקצב 1.6 Tb/s (באמצעות מספר אורכי גל ומודולציה מתקדמת) – סימן לכך שקישורים אופטיים בריבוי טרה-ביט נמצאים ממש מעבר לפינה optics.org.

יישום רשת נוסף הוא ב-ציוד ניתוב ומיתוג ליבה. נתבים מתקדמים ופלטפורמות מיתוג אופטיות מתחילים להשתמש במעגלים פוטוניים מסיליקון עבור פונקציות כמו מיתוג אופטי, ניתוב אותות ואפילו סינון אורכי גל על השבב. לדוגמה, פותחו אבות-טיפוס של בדים (fabrics) סיליקון-פוטוניים גדולים המשתמשים ב-MEMS מסיליקון או באפקטים תרמו-אופטיים כדי להחליף מסלולי אור במהירות, מה שעשוי לאפשר מיתוג מעגלים אופטיים מלא. אלה עשויים לשמש בעתיד ברשתות דאטה סנטרים כדי להגדיר מחדש חיבורים אופטית בזמן אמת (גוגל רמזה על שימוש במתגים אופטיים בחלק מאשכולות ה-AI שלה) nextplatform.com.

בסך הכל, בתחום הטלקומוניקציה המטרות הן קיבולת גבוהה יותר ועלות נמוכה יותר לכל ביט. פוטוניקה מבוססת סיליקון מסייעת בכך שהיא מגדילה את קיבולת הסיבים האופטיים (100G → 400G → 800G ו-1.6T לכל אורך גל) ומפחיתה את עלויות הייצור באמצעות תהליכי ייצור CMOS. מעניין לציין כי חטיבת הפוטוניקה של אינטל, לפני שעברה ארגון מחדש, שלחה מעל 8 מיליון שבבי טרנסיבר פוטוניים בין 2016 ל-2023 לשימושי מרכזי נתונים ורשתות optics.org. ושיתופי הפעולה בתעשייה הולכים וגדלים: לדוגמה, אינטל הודיעה בסוף 2023 כי תעביר את ייצור הטרנסיברים שלה ל-Jabil (יצרן קבלן) כדי להגדיל עוד את היקף הייצור optics.org. במקביל, ענקיות רכיבים אופטיים כמו Coherent (לשעבר II-VI) וספקיות טלקום מסורתיות (Nokia, Ciena וכו') כולן משקיעות בפוטוניקה מבוססת סיליקון עבור מודולים אופטיים מהדור הבא optics.org. הטכנולוגיה הופכת לאבן יסוד בתשתית הפיזית של האינטרנט ובמערכת האקולוגית המתפתחת במהירות של תקשורת 5G/6G.

חישה ולידאר

פוטוניקה מבוססת סיליקון אינה עוסקת רק בתקשורת – היא גם מאפשרת סוגים חדשים של חיישנים באמצעות שליטה מדויקת באור על גבי שבב. תחום מרתק אחד הוא חישה ביוכימית וסביבתית. חיישנים פוטוניים מסיליקון יכולים לזהות שינויים זעירים במקדם השבירה או בבליעה כאשר דגימה (כמו טיפת דם או אדי כימיקל) באה במגע עם קרן אור מונחית. לדוגמה, שבב פוטוני מסיליקון יכול להכיל תהודה טבעתית זעירה או אינטרפרומטר שמשנה תדר כאשר מולקולות מסוימות נקשרות אליו. כך ניתן לבצע חישה בסגנון "מעבדה על שבב" של סמני ביולוגיים – חלבונים, DNA, גזים וכו' – ברגישות גבוהה ובפוטנציאל לעלות נמוכה. חיישני ביו-פוטוניקה כאלה עשויים לשמש לאבחון רפואי, ניטור סביבתי או אפילו ליישומי "אף מלאכותי" optics.org optics.org. יתרונות ה-מזעור והאינטגרציה הם מרכזיים: שבב חיישן פוטוני מסיליקון יחיד יכול לשלב מקורות אור, רכיבי חישה ופוטודטקטורים, ולהציע חיישן קומפקטי ועמיד במקום ציוד מעבדה אופטי מגושם. מחקר בפוטוניקה מסיליקון ניטריד (וריאציה המתאימה יותר לאורך גל נראה) פותח יישומי חישה נוספים, שכן SiN מסוגל להוליך אור נראה לחישה של פלואורסצנציה או אותות ראמאן, מה שסיליקון טהור אינו מסוגל לעשות.

יישום מתפתח נוסף הוא LiDAR (Light Detection and Ranging) עבור רכבים אוטונומיים, רחפנים ורובוטיקה. מערכות LiDAR משדרות פולסי לייזר ומודדות את האור המוחזר כדי למפות מרחקים – למעשה "ראיית לייזר תלת-ממדית". יחידות LiDAR מסורתיות מסתמכות לעיתים קרובות על סריקה מכנית ולייזרים/גלאים נפרדים, מה שהופך אותן ליקרות ומסורבלות יחסית. פוטוניקה מבוססת סיליקון מציעה דרך לבנות LiDAR על שבב: שילוב של רכיבי היגוי אלומה, מפצלים, מודולטורים וגלאים באופן מונוליתי. LiDAR פוטוני מסיליקון יכול להשתמש בהיגוי אלומה במצב מוצק (למשל, מערכי פאזה אופטיים) כדי לסרוק את הסביבה ללא חלקים נעים. זה מפחית משמעותית את הגודל והעלות של יחידות LiDAR. למעשה, Mobileye של אינטל ציינה כי היא עושה שימוש במעגלים משולבים פוטוניים מסיליקון בחיישני LiDAR לדור הבא של נהיגה אוטונומית שלה, הצפויים סביב 2025 tanaka-preciousmetals.com. אינטגרציה כזו עשויה להוריד את עלויות ה-LiDAR ולאפשר פריסה המונית ברכבים. LiDAR מבוסס פוטוניקה מסיליקון יכול גם להשיג סריקה מהירה יותר ורזולוציה גבוהה יותר על ידי ניצול אורכי גל מרובים או טכניקות גילוי קוהרנטיות המובנות על השבב. כיתרון נוסף, פתרונות משולבים אלו נוטים לצרוך פחות חשמל – גורם חשוב ברכבים חשמליים.

לפי Ansys, "פתרונות LiDAR מבוססי פוטוניקה מסיליקון הם קומפקטיים יותר, צורכים פחות חשמל וזולים יותר לייצור מאשר מערכות המורכבות מרכיבים נפרדים." ansys.com זה מסכם בקצרה מדוע חברות מסטארט-אפים ועד ענקיות טכנולוגיה ממהרות לפתח LiDAR פוטוני. כבר כיום אנו רואים אבות-טיפוס של FMCW LiDAR (LiDAR גל רציף בתדירות ממודלת), שדורש מעגלים פוטוניים עדינים כמו לייזרים ניתנים לכיוון ואינטרפרומטרים. פוטוניקה מסיליקון היא פלטפורמה טבעית לכך, ומומחים צופים שפוטוניקה משולבת תהיה המפתח להפיכת FMCW LiDAR לישים בקנה מידה גדול (בזכות הטווח הארוך והעמידות להפרעות) optics.org optics.org. בעתיד הקרוב, צפו למכוניות ורחפנים המצוידים ביחידות LiDAR קטנות מבוססות שבב עם ביצועים גבוהים – תוצאה ישירה של חדשנות בפוטוניקה מסיליקון.

מעבר ל-LiDAR, שימושים חישתיים נוספים כוללים ג'ירוסקופים וחיישני אינרציה (באמצעות ג'ירו לייזר טבעתי על שבב לניווט), ו-ספקטרומטרים (ספקטרומטרים אופטיים משולבים לניתוח כימי). החוט המקשר הוא שפוטוניקה מסיליקון מביאה את הדיוק של מדידה אופטית לפורמט ממוזער וניתן לייצור המוני. זה פותח אפשרויות חדשות באלקטרוניקה צרכנית (דמיינו חיישן בריאות אופטי בשעון חכם), ניטור תעשייתי ומכשור מדעי.

מחשוב קוונטי וטכנולוגיות קוונטיות פוטוניות

בחיפוש אחר מחשבים קוונטיים, לפוטונים (חלקיקי אור) יש תפקיד ייחודי. בניגוד לאלקטרונים, פוטונים יכולים לנוע מרחקים ארוכים מבלי לקיים אינטראקציה עם הסביבה (שימושי להעברת מידע קוונטי), וחלק מהשיטות למחשוב קוונטי משתמשות בפוטונים עצמם בתור קיוביטים. פוטוניקה מבוססת סיליקון הפכה לפלטפורמה מובילה למחקר במחשוב קוונטי ורישות קוונטי.

מספר חברות הזנק וקבוצות מחקר עובדות על מחשבים קוונטיים פוטוניים המשתמשים במעגלים פוטוניים מבוססי סיליקון ליצירה ולשליטה בקיוביטים המקודדים באור. לדוגמה, PsiQuantum, חברת הזנק שמגייסת מימון רב, משתפת פעולה עם מפעל שבבים כדי לבנות מחשב קוונטי בקנה מידה גדול המשתמש באלפי ערוצי קיוביטים פוטוניים מסיליקון. הרעיון הוא לשלב התקנים כמו מקורות פוטון בודד, מפצלי אלומה, משנהי מופע וגלאי פוטונים על שבב כדי לבצע לוגיקה קוונטית עם פוטונים. היתרון של פוטוניקה מבוססת סיליקון כאן הוא יכולת ההרחבה – מכיוון שהיא נשענת על ייצור CMOS, ניתן (עקרונית) ליצור מעגלים פוטוניים קוונטיים מורכבים מאוד עם מאות או אלפי רכיבים, דבר שקשה בהרבה בגישות חומרה קוונטית אחרות. אכן, חוקרים הדגימו לאחרונה שבבים פוטוניים מסיליקון עם אלפי רכיבים שפועלים יחד למניפולציה של אור קוונטי nature.com.

פוטוניקה מבוססת סיליקון מאפשרת גם רישות קוונטי – תקשורת מאובטחת באמצעות הפצת מפתחות קוונטית (QKD) ופוטונים שזורים – על ידי מתן פלטפורמה לשדרים ומקלטים קוונטיים אופטיים קומפקטיים ויציבים. בנוסף, טכנולוגיות חישה קוונטית מסוימות (כמו ג'יירוסקופים קוונטיים אופטיים או LiDAR פוטון בודד) עשויות להשתמש בשבבים פוטוניים מסיליקון כליבתן.

אתגר מרכזי במחשוב קוונטי פוטוני הוא יצירת פוטונים בודדים לפי דרישה והכוונתם באובדן נמוך. מעניין, אותם מגבלות (והפתרונות) החלות על פוטוניקה קלאסית מסיליקון חלות גם בקוונטום: סיליקון אינו פולט לייזר באופן טבעי, ולכן שבבים פוטוניים קוונטיים משתמשים לעיתים קרובות בתהליכים לא ליניאריים משולבים או במקורות quantum dot ליצירת פוטונים בודדים, או משלבים חומרים ייחודיים. היתרונות דומים – דיוק גבוה ומזעור. כפי שמצוין בדוח של Ansys, מחשבים קוונטיים משתמשים בפוטונים לחישובים, וניהול הפוטונים הללו באמצעות פוטוניקה משולבת מביא יתרונות של מהירות, דיוק ועלות ansys.com. בפועל, פוטוניקה מבוססת סיליקון יכולה לספק את היציבות ויכולת הייצור הנדרשות להרחבת מערכות קוונטיות מניסויים במעבדה למכונות אמיתיות.

מלבד מחשוב, חיישנים פוטוניים קוונטיים (כמו אינטרפרומטרים המנצלים מצבים קוונטיים לרגישות גבוהה יותר) ו-מחוללי מספרים אקראיים קוונטיים הם תחומים נוספים שבהם פוטוניקה מבוססת סיליקון יוצרת השפעה. בעוד שמחשוב קוונטי פוטוני עדיין בפיתוח וסביר שיידרשו עוד מספר שנים עד להבשלה, ההשקעה הכבדה בתחום זה מדגישה את הפוטנציאל שלו. בשנת 2022, חוקר מוביל, פרופ' ג'ון באוורס, הדגיש כי פוטוניקה מבוססת סיליקון מתקדמת במהירות עם יישומים חדשים רבים, כולל קוונטיים, באופק nature.com. ניתן לצפות כי המחשבים הקוונטיים הראשונים בקנה מידה גדול עשויים להיות דווקא אופטיים המבוססים על שבבים פוטוניים מסיליקון – סגירת מעגל מרתקת שבה טכנולוגיה שפותחה במקור לתקשורת עשויה לאפשר את קפיצת המדרגה הבאה במחשוב.

מגמות ופיתוחים עכשוויים (2025)

נכון ל-2025, פוטוניקה מבוססת סיליקון צוברת תאוצה אדירה. מספר מגמות השתלבו כדי לדחוף את הטכנולוגיה הזו מהמעבדות ומשימושים נישתיים אל המיינסטרים של תעשיית ההייטק:

צוואר בקבוק נתונים ואופטיקה משולבת (Co-Packaged Optics): הביקוש הבלתי נגמר לנתונים (במיוחד משירותי בינה מלאכותית ומחשוב ענן) הפך את הממשקים החשמליים לצוואר בקבוק רציני. אנחנו בנקודה שבה, בכל פעם שמכפילים את רוחב הפס של ממשק, צריך לחצות בחצי את אורך כבל הנחושת כדי לשמור על שלמות האות nextplatform.com – פשרה שאינה בת קיימא. הדחיפות הזו שמה זרקור על גישות כמו אופטיקה משולבת (CPO), שבהן מנועי אופטיים ממוקמים ממש ליד שבבי ASIC של מתגים או מעבדים כדי לבטל כמעט לחלוטין את מרחק ההולכה החשמלית. ב-2023, מספר חברות הדגימו אופטיקה משולבת במתגים (למשל, אב-טיפוסי מתגים של Broadcom בקצבים של 25.6 Tb/s ו-51.2 Tb/s עם מנועי פוטוניקה משולבים בלייזר). מפת הדרכים של התעשייה מצביעה על כך ש-שבבי מתג את'רנט 51.2 Tb/s עם פוטוניקה סיליקונית משולבת צפויים להגיע לשוק בשנה-שנתיים הקרובות tanaka-preciousmetals.com, ושבערך ב-2026–2027, כנראה נראה את ה-CPU/‏GPU הראשונים שמנצלים I/O אופטי ישירות nextplatform.com. במילים אחרות, העידן האופטי של הממשקים עומד לעלות בביצוע במערכות מעשיות. חברות כמו אינטל, Nvidia וסיסקו כולן מפתחות פתרונות CPO באופן פעיל. למעשה, פרויקט Tomambe של אינטל ואחרים כבר הדגימו מנועי פוטוניקה של 1.6 Tb/s המשולבים עם שבבי מתג tanaka-preciousmetals.com. הקונצנזוס הכללי: אחרי שנים של מחקר, אופטיקה משולבת עוברת מאב-טיפוס למוצר, במטרה להקטין את צריכת החשמל לביט על ידי קירוב מקורות האור למקור הנתונים (חיסכון של 30% בצריכת חשמל לעומת מודולים נשלפים, לפי הערכה אחת laserfocusworld.com).

. יותר פאונדריז וספקים נכנסים כיום לתחום. בעבר, רק מספר שחקנים (כמו אינטל או Luxtera) החזיקו ביכולות מקצה-לקצה. כיום, פאונדריז מוליכים-למחצה גדולים כמו GlobalFoundries, TSMC ואפילו STMicroelectronics מציעים קווי ייצור לפוטוניקה סיליקונית או PDKs פוטוניים סטנדרטיים (ערכות תכנון תהליך) ללקוחות ansys.com. הסטנדרטיזציה הזו מאפשרת לסטארטאפים או חברות קטנות יותר לתכנן מעגלים פוטוניים ולייצר אותם מבלי להקים מפעל משלהם – בדומה לאופן שבו חברות שבבים אלקטרוניים פועלות ללא מפעל. ישנן הסעות MPW (multi-project wafer) קבועות לשבבים פוטוניים, בהן מספר עיצובים חולקים ריצת וייפר אחת, מה שמפחית משמעותית את עלות האב-טיפוס. קבוצות תעשייה עובדות על פתרונות אריזה סטנדרטיים (ממשקי I/O אופטיים, שיטות חיבור סיבים) כדי ששבבים פוטוניים ישתלבו בקלות רבה יותר במוצרים. הקמת המכון האמריקאי לייצור פוטוניקה משולבת (AIM Photonics) היוותה דחיפה משמעותית: קונסורציום ציבורי-פרטי זה הקים פאונדרי וקו אריזה לפוטוניקה סיליקונית בניו יורק, ולאחרונה זכה ב-321 מיליון דולר, תכנית ל-7 שנים (עד 2028) לקידום ייצור פוטוניקה משולבת בארה"ב. nsf.gov. בדומה לכך, באירופה, מכוני מחקר כמו IMEC בבלגיה ו-CEA-Leti בצרפת מספקים פלטפורמות פוטוניקה סיליקונית וטיפחו אשכול של סטארטאפים בתחום הפוטוניקה. בסין, גם תחום הפוטוניקה הסיליקונית מתחמם, עם חברות כמו InnoLight ו-Huawei שמשקיעות ביכולות שבבים פוטוניים מקומיים optics.org optics.org. כל ההתפתחויות הללו מצביעות על כך שפוטוניקה סיליקונית היא כבר לא טכנולוגיה ניסיונית – היא הופכת לחלק סטנדרטי מארגז הכלים של תעשיית המוליכים למחצה.
מהירויות גבוהות יותר וחומרים חדשים: מבחינה טכנולוגית, אנו עדים להתקדמות מהירה בדחיפת הביצועים של התקני פוטוניקה מבוססי סיליקון. משדרים אופטיים בקצב 800G כבר נמצאים בדגימות, מודולים של 1.6 טרה-ביט לשנייה כבר הודגמו optics.org, ומודולים נשלפים של 3.2 טרה-ביט לשנייה צפויים עד 2026 optics.org. כדי להגיע למהירויות אלו, מהנדסים משתמשים בכל דבר, החל ממולטי-פלקסינג של 16 ערוצי אורכי גל ועד פורמטים מתקדמים של אפנון – למעשה מנצלים את התחום האופטי כדי לדחוס יותר ביטים. ברמת ההתקן, חומרים חדשים משולבים בפוטוניקה מבוססת סיליקון כדי להתגבר על מגבלות הסיליקון. דוגמה בולטת היא thin-film lithium niobate (TFLN) על סיליקון, שמספק מודולטורים מהירים במיוחד המבוססים על אפקט פוקלס עם הפסדים נמוכים. זה עשוי לאפשר מודולטורים התומכים ברוחבי פס של 100+ גיגה-הרץ, המתאימים לקישורים עתידיים של 1.6T ו-3.2T ואפילו ליישומים קוונטיים optics.org. סטארט-אפים כמו HyperLight ממסחרים את השבבים ההיברידיים LiNbO3/Si הללו. חומרים נוספים בשלבי מחקר ופיתוח כוללים barium titanate (BTO) מודולטורים אלקטרו-אופטיים וחומרים עם דופינג של יסודות נדירים עבור לייזרים/מגברים על שבב optics.org. יש גם המשך עבודה על שילוב מוליכים למחצה III-V (InP, GaAs) על סיליקון עבור לייזרים ומגברים אופטיים טובים יותר – לדוגמה, לייזרי נקודות קוונטיות שגודלו ישירות על סיליקון השיגו התקדמות רבה, וטיפלו בבעיות אמינות שהיו בניסיונות קודמים nature.com nature.com. בקיצור, מגוון החומרים לפוטוניקה מבוססת סיליקון מתרחב, מה שיביא לביצועים גבוהים יותר ולפונקציונליות חדשה. אנו אף רואים microcombs (מקורות מסרקי תדר אופטיים) מבוססי פוטוניקה מסיליקון, בשימוש ליישומים כמו העברת נתונים אולטרה-מהירה וספקטרוסקופיה מדויקת – דבר שהיה נשמע דמיוני לפני עשור.
יישומים ומוצרים מתפתחים: לצד היישומים המרכזיים, מופיעים ב-2025 גם מקרי שימוש חדשים. אחד מהם הוא מחשוב אופטי ל-AI (נדון קודם) שעובר מהדגמות מחקר למוצרים ראשוניים – לדוגמה, Lightelligence חשפה חומרת מחשוב פוטוני להאצת אינפרנס של AI. דוגמה נוספת היא קישורים אופטיים בין שבבים באריזות מתקדמות: כאשר חברות בוחנות מודולים מרובי-שבבים וצ'יפלטים, קישורים אופטיים יכולים לחבר בין הצ'יפלטים במהירות גבוהה על גבי מארז או אינטרפוזר. תקנים כמו UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) אף שוקלים הרחבות PHY אופטיות. אנו רואים גם עניין ממשלתי: DARPA וסוכנויות נוספות מפעילות תוכניות לשימוש בקישוריות פוטונית במערכות הגנה (לעיבוד מתקדם וניתוב אותות RF). ובתחום הצרכני, יש השערות שבתוך כמה שנים, I/O אופטי יופיע במכשירים לצרכן – למשל, קסדת AR/VR שתשתמש בשבב פוטוני מסיליקון לקישורי חיישנים ברוחב פס גבוה, או כבל Thunderbolt אופטי למשקפי AR. אמנם זה עדיין לא כאן, אך הרעיונות האלו כבר על שולחן השרטוט.

לסיכום, 2025 מוצאת את הפוטוניקה מסיליקון בנקודת מפנה: מוצרים מסחריים משמעותיים יוצאים לשוק (בעיקר ברשתות תקשורת), השקעות ענק זורמות, והמערכת האקולוגית מתבגרת. הולך ומתבהר שאופטיקה תשחק תפקיד יסוד במחשוב ובקישוריות בעתיד. כפי שאמר פרשן תעשייה אחד, במחצית השנייה של העשור הזה רבים מצפים ש-I/O אופטי יעבור מקווי פיילוט לייצור המוני – "דור מנועי החישוב של 2025 אולי לא יכלול פוטוניקה מסיליקון, אבל דור 2026 עשוי לכלול ודור 2027 כמעט בוודאות יכלול", כי בסופו של דבר אין לנו ברירה – "הזמן של הנחושת נגמר." nextplatform.com

אתגרים ומגבלות

למרות כל ההתרגשות, פוטוניקה מסיליקון מתמודדת עם מספר אתגרים ומגבלות שחוקרים ומהנדסים פועלים במרץ להתגבר עליהם. זו טכנולוגיה משבשת, אך לא פתרון קסם – לפחות עדיין לא. הנה המכשולים המרכזיים:

שילוב מקורות אור: אולי המגבלה הידועה ביותר היא ש-סיליקון אינו טוב ביצירת אור. לסיליקון יש פער אנרגיה עקיף, כלומר הוא לא יכול לשמש כלייזר או LED יעיל. כפי שמנסח זאת בפשטות חלוץ הפוטוניקה ג'ון באוורס, "סיליקון הוא גרוע במיוחד כפולט אור." nature.com היעילות הפנימית שלו כמעט אפסית – בערך אלקטרון אחד מתוך מיליון בסיליקון יפיק פוטון – בעוד שחומרים מוליכים למחצה מקבוצת III-V כמו אינדיום פוספיד או גליום ארסניד יכולים לפלוט אור ביעילות כמעט של 100% nature.com. המשמעות היא שכדי שיהיו לייזרים על שבב פוטוני סיליקון, בדרך כלל יש להכניס חומרים אחרים. ניתן לעשות זאת באמצעות אינטגרציה היברידית (הדבקת פיסת וייפר InP עם דיודות לייזר על וייפר הסיליקון) או בטכניקות חדשות יותר כמו גידול ישיר של לייזרים ננו-מבניים מסוג III-V על סיליקון. ההתקדמות בתחום זה מעודדת: חברות ומעבדות (אינטל, UCSB וכו') הדגימו לייזרים משולבים היברידיים בקנה מידה גדול, ולאחרונה אף לייזרי קוונטום-דוט שגודלו על וייפרי סיליקון בקוטר 300 מ"מ עם אמינות טובה nature.com nature.com. עם זאת, שילוב לייזרים מוסיף מורכבות ועלות. אם הלייזר נמצא מחוץ לשבב (במודול לייזר נפרד שמחובר באמצעות סיב), אז יש להתמודד עם האתגר של קישור יעיל של האור הזה לגלי-ההולכה הזעירים שעל השבב. בקיצור, הכנסת אור אל תוך השבב היא משימה לא פשוטה. התעשייה בוחנת פתרונות כמו אינטגרציה הטרוגנית (מספר חומרים על שבב אחד) ואפילו גישות חדשניות כמו לייזרי גרמניום-סיליקון מוארים חשמלית או לייזרי ראמאן על סיליקון, אך אלו עדיין מתפתחות. נכון ל-2025, רוב מערכות הפוטוניקה מבוססות הסיליקון משתמשות בלייזרים היברידיים או בלייזרים חיצוניים שמוזנים פנימה. זהו תחום מחקר מרכזי ומתמשך.
ייצור ותפוקה: מעגלים פוטוניים מסיליקון ניתנים לייצור במפעלי ייצור קיימים, אך יש להם דרישות שונות משבבים אלקטרוניים. ראשית, אופטיקה דורשת שליטה מדויקת מאוד בממדים – סטיות של כמה ננומטרים בלבד ברוחב או ברווח של המוליך-גל יכולות לשנות את אורך הגל של תהודה או את מופע האור. השגת תפוקה גבוהה (כלומר, ביצועים עקביים בין שבבים רבים) היא אתגר. בנוסף, שילוב של מספר סוגי חומרים (סיליקון, ניטריד סיליקון, III-V, מתכות) בתהליך ייצור אחד מוסיף מורכבות. קישור סיבים לשבב הוא גם אתגר ייצור ותפוקה; יישור סיבים אופטיים זעירים לפאות מוליך-גל בקנה מידה של מיקרון לעיתים קרובות דורש כיום יישור אקטיבי ויקר. חלק מהשלבים הללו עדיין חצי-ידניים בייצור, מה שלא מתאים לייצור המוני. יש הרבה עבודה על שיפור טכניקות אריזה, כמו שימוש ביחידות חיבור סיבים סטנדרטיות או שילוב מצמדי סריג שמאפשרים לסיבים לחבר אור מלמעלה אל השבב בקלות רבה יותר. גם האריזה של שבבים משולבים אלקטרוניים + פוטוניים היא מסובכת – לדוגמה, אם יש לך שבב פוטוני ו-ASIC אלקטרוני באותה חבילה, צריך ליישר ביניהם וגם לנהל חום (כי אלקטרוניקה חמה עלולה להפריע לפוטוניקה). חברת Ansys מציינת שאם אלקטרוניקה ופוטוניקה חולקות שבב, שיטת הייצור חייבת לאזן בין הצרכים של כל אחד, ואם הם שבבים נפרדים, נדרשת אריזה מתקדמת – "יצירת חום באלקטרוניקה יכולה להשפיע על הפוטוניקה." ansys.com כיוונון תרמי הוא נושא נוסף: מסננים ומודולטורים פוטוניים מסיליקון רבים מסתמכים על אפקטים תרמיים, כך ששינויים בטמפרטורה עלולים לשבש את המעגלים, ודורשים הספק לייצוב. כל זה מסבך את הייצור ומעלה את העלות.
עלות ונפח: כשמדברים על עלות – למרות שסיליקון פוטוניקס מבטיח עלות נמוכה על ידי ניצול מפעלי סיליקון בנפח גבוה, המציאות כיום היא שההתקנים האלו עדיין נישתיים ויקרים יחסית. התעשייה שולחת מיליוני יחידות (כמשדרים-מקלטים במרכזי נתונים), אך כדי להוריד עלויות באמת, כנראה שצריך לשלוח מיליארדים של יחידות בשנה ansys.com. במילים אחרות, זה עדיין לא הגיע להיקף של אלקטרוניקה סחירה. לעיתים קרובות ההתקנים גם דורשים אריזה מיוחדת (כפי שצוין) ובדיקות, שמוסיפות לעלות. משדר-מקלט סיליקון פוטוני נוכחי למרכזי נתונים עשוי לעלות מאות או אלפי דולרים, מה שמקובל בשוק הזה אך גבוה מדי לשווקים צרכניים. הכלכלה מעט לא ברורה בהיקפים גדולים מאוד – כפי שדיווח אחד ציין, קונים גדולים בענן מודאגים מהאמינות וממבנה העלויות אם יאמצו סיליקון פוטוניקס בהיקף רחב, מכיוון שהטכנולוגיה עדיין לא הגיעה לעקומת הלמידה של ייצור סיליקון מסורתי nextplatform.com. עם זאת, העלויות משתפרות בהתמדה, ומאמצים כמו PDK סטנדרטי למפעלי ייצור ואוטומציה מסייעים. בשנים הקרובות, ככל שהנפח יגדל (בהובלת AI ומרכזי נתונים), צפוי שנראה ירידת מחירים, מה שיפתח שווקים נוספים (זהו מעגל חיובי ברגע שהוא מתחיל). ועדיין, ב-2025 העלות ליחידה יכולה להיות גורם מגביל לאימוץ סיליקון פוטוניקס ביישומים רגישי עלות.
צריכת חשמל ויעילות: למרות שסיליקון פוטוניקס יכול להפחית צריכת חשמל להעברת נתונים במהירויות גבוהות מאוד, ההתקנים עצמם עדיין צורכים חשמל – לדוג' מודולטורים משתמשים לעיתים קרובות בכיול תרמי או בצמתי PN שצורכים זרם, וכמובן שלייזרים צורכים חשמל. ישנה תקורה בהמרת אותות אלקטרוניים לאופטיים וחזרה. כדי לחסוך באמת חשמל ברמת המערכת, התקורות האלו צריכות להיות קטנות מהחיסכון שמושג על ידי ויתור על קישורים חשמליים ארוכים. משדרי-מקלט סיליקון פוטוני של היום יעילים למדי (בסדר גודל של כמה פיקוג'אול לביט להמרה האופטית), אך יש דחיפה להוריד עוד, במיוחד אם משתמשים ב-I/O אופטי על השבב או באוטובוסים של זיכרון שבהם היעילות חייבת להיות גבוהה מאוד. גישה מבטיחה אחת היא שימוש בחומרים אלקטרו-אופטיים (כמו LiNbO3 או BTO) שיכולים למודול אור במתח נמוך מאוד (וכך גם בצריכת חשמל נמוכה יותר) במקום כיול תרמי. בנוסף, שילוב מקורות אור יעילים יותר (כמו לייזרים נקודת-קוואנטום) עשוי להפחית בזבוז חשמל בלייזר (לייזרי DFB נוכחיים מבזבזים לעיתים הרבה אנרגיה כחום). אז למרות שסיליקון פוטוניקס פותר את בעיית צריכת החשמל של קישוריות ברמה המאקרו, ברמת המיקרו מהנדסים עדיין אופטימיים צריכת חשמל של כל התקן בנפרד. החדשות הטובות: גם עם הטכנולוגיה הנוכחית, אופטיקה משולבת-חבילה יכולה להפחית את צריכת החשמל הכוללת של קישוריות בכ-30% לעומת פתרונות מסורתיים laserfocusworld.com, ושיפורים עתידיים כנראה יגדילו את הרווחים האלו.
עיצוב וכלי עיצוב: זהו אתגר פחות מובן מאליו אך חשוב: תכנון מעגלים פוטוניים הוא סט כישורים חדש, וכלי EDA (אוטומציית תכנון אלקטרוני) לפוטוניקה אינם בשלים כמו אלו של אלקטרוניקה. סימולציה של מעגלים אופטיים, במיוחד גדולים עם הרבה רכיבים, יכולה להיות מורכבת. יש לקחת בחשבון את השונות בייצור כבר בשלב התכנון (ייתכן שתצטרך מכווני חום לתיקון שגיאות קטנות). יש צורך בכלי תכנון טובים יותר שיכולים לבצע אופטימיזציה משולבת של החלקים האלקטרוניים והפוטוניים במעגל, מה שנקרא לעיתים EPDA (אוטומציית תכנון אלקטרוני-פוטוני). האקוסיסטם מדביק את הפער – חברות כמו Synopsys, Cadence ו-Lumerical (Ansys) מציעות כלים לתכנון פוטוני – אך זהו תחום מתפתח. נושא קשור הוא היעדר תקנים בחלק מהתחומים: למרות שרבות מהפאונדריז מציעות PDKs, ייתכן שלכל אחת יהיו ספריות רכיבים ופרמטרים שונים. זה עלול להפוך את התכנונים לפחות ניידים לעומת תכנונים אלקטרוניים. התעשייה נעה לעבר תקנים משותפים (למשל, פורמט חילופי פריסות למעגלים פוטוניים, או מודלים סטנדרטיים לרכיבים), אך נדרש עוד עבודה לייעול תהליך התכנון. בניית צינור כישרונות חזק גם היא קריטית: נדרשים מהנדסים שמבינים גם תכנון בסגנון RF/מיקרוגל אנלוגי וגם פיזיקה אופטית, והם במחסור (אם כי אוניברסיטאות רבות כבר מוציאות בוגרים בתחום הבין-תחומי הזה).
מגבלות ביצועים: למרות שפוטוניקה מבוססת סיליקון משפרת משמעותית מדדים מסוימים, יש לה מגבלות פיזיקליות משלה. איבוד אופטי בגלי-אור, אף שהוא נמוך (בטווח dB/cm), מצטבר במעגלים גדולים, ועיקולים חדים או תכונות קטנות יכולים להגדיל את האיבוד. יש גם להקטין את האיבוד בממשק סיב-לשבב. רגישות תרמית של סיליקון (מקדם השבירה משתנה עם הטמפרטורה) גורמת לכך שרבים מהמעגלים הפוטוניים דורשים ייצוב או כיול. מגבלות רוחב פס יכולות להופיע במודולטורים או גלאים – לדוגמה, למודולטורי טבעת מסיליקון יש רוחב פס סופי והם רגישים לטמפרטורה, בעוד שמודולטורי Mach-Zehnder דורשים הנדסה קפדנית להשגת מהירות גבוהה מאוד ללא עיוות. דיספרסיה כרומטית בגלי-אור עשויה להגביל יישומים רחבי-ספקטרום (אם כי לרוב לא מהווה בעיה במרחקים קצרים על השבב). נקודה עדינה נוספת: אינטגרציה אלקטרונית-פוטונית מחייבת לעיתים קרובות תכנון משולב של האלקטרוניקה (כמו מגברי דרייבר, TIA לגלאים) עם הפוטוניקה. הממשק ביניהם עלול להגביל את הביצועים הכוללים (למשל, אם מודולטור דורש מתח מסוים, צריך דרייבר שיכול לספק אותו במהירות). לכן הנדסת המערכת מורכבת. בנוסף, לא כל היישומים מצדיקים פוטוניקה – עבור קישורים קצרים ואיטיים במיוחד, אלקטרוניקה עדיין עשויה להיות זולה ופשוטה יותר. לכן, לדעת היכן לפרוס פוטוניקה מבוססת סיליקון למקסימום תועלת הוא שיקול בפני עצמו.

לסיכום, למרות ש-אף אחד מהאתגרים הללו אינו מהווה מכשול בלתי עביר, הם יחדיו מצביעים על כך שלפוטוניקה מבוססת סיליקון עדיין יש לאן להתפתח. רבים מהמוחות המבריקים ביותר בתחום הפוטוניקה והאלקטרוניקה עוסקים כיום בפתרון בעיות אלו: שילוב לייזרים טובים יותר, שיפור האריזה, הגדלת היקף הייצור, והרחבת יכולות התכנון. ההתקדמות אפילו בשנים האחרונות מעודדת. כפי שפרופ' באוורס ציין, אתגרים כמו שילוב לייזרים מסוג III-V ב-CMOS, שיפור התפוקה וחיבור הסיבים, והוזלת העלויות – כולם מטופלים עם "התקדמות… מהירה מאוד." nature.com כל שנה מביאה עמה שיפורים, והפער בין אב-טיפוס מעבדתי לייצור המוני הולך ומצטמצם. כדאי לזכור שלמעגלים משולבים אלקטרוניים נדרשו עשרות שנים של מאמץ אינטנסיבי כדי להגיע להיקף של היום – פוטוניקה מבוססת סיליקון, בהשוואה, נמצאת בשלב מוקדם הרבה יותר במסע שלה, אך היא מדביקה את הפער במהירות.

החברות והמוסדות המובילים בתחום

פוטוניקה מבוססת סיליקון הפכה ל-מאמץ עולמי, עם חברות רבות (מסטארטאפים ועד ענקיות טכנולוגיה) ומוסדות מחקר שמקדמים את התחום. לפי מחקרי שוק, השחקנים המובילים בשוק הפוטוניקה מבוססת סיליקון (נכון ל-2025) כוללים תאגידי ענק כמו Cisco, Intel, ו-IBM, לצד מומחיות כמו NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics, ו-STMicroelectronics expertmarketresearch.com. הנה סקירה של כמה מהתורמים המרכזיים:

אינטל קורפוריישן (ארה"ב): חלוצה בפוטוניקה מבוססת סיליקון, אינטל השקיעה מוקדם ובאופן משמעותי בטכנולוגיה זו. היא הציגה אחד מהטרנסיברים הפוטוניים הראשונים בקצב 100G בשנת 2016 ומאז סיפקה מיליוני התקנים optics.org. אינטל עושה שימוש בפוטוניקה מבוססת סיליקון בטרנסיברים אופטיים מהירים ודוחפת אותה לשימוש במעבדי שרת עתידיים וביישומי קצה. החזון של החברה הוא "לאפשר את צמיחת רוחב הפס של מרכזי הנתונים בעתיד" באמצעות פוטוניקה, תוך הגדלה מ-100G ל-400G ומעבר לכך, ולשלב אופטיקה עם מעבדים ליישומים כמו 5G ורכבים אוטונומיים expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. חטיבת הפוטוניקה של אינטל שיתפה לאחרונה פעולה עם Jabil לייצור, מה שמעיד על התבגרות לקראת ייצור בהיקף גבוה optics.org. אינטל גם חוקרת אופטיקה משולבת-חבילה למתגים ויש לה אחזקות במספר סטארט-אפים בתחום הפוטוניקה (כמו Ayar Labs).
סיסקו סיסטמס (ארה"ב): סיסקו, ענקית רשתות, נכנסה לתחום הפוטוניקה מבוססת סיליקון דרך רכישות (למשל רכישת Luxtera ב-2019) וכיום היא ספקית מובילה של טרנסיברים אופטיים פוטוניים מבוססי סיליקון למרכזי נתונים ולטלקום. סיסקו עושה שימוש בטכנולוגיה הפוטונית שלה במוצרים הנעים ממודולים נשלפים של 100G/400G ועד למתגים אופטיים משולבי-חבילה עתידיים. הפתרונות של סיסקו נהנים מתכנון פנימי של מעגלים פוטוניים המאפשרים צפיפות גבוהה ויעילות הספק. באמצעות פוטוניקה מבוססת סיליקון, סיסקו מספקת ללקוחותיה קישורים מהירים עם גודל פיזי קטן יותר. בשנת 2025, סיסקו היא אחת ממובילות השוק באספקת פוטוניקה מבוססת סיליקון בהיקף גדול expertmarketresearch.com.
IBM קורפוריישן (ארה"ב): ל-IBM היסטוריה ארוכה במחקר קישוריות אופטית. צוות הפוטוניקה מבוססת סיליקון שלה, עם למעלה מעשור של מו"פ, פיתח טכנולוגיית קישור אופטית מהירה המיועדת לקישוריות ברמת לוח וברמת מעבד expertmarketresearch.com. המחקר של IBM הניב התקדמות במודולטורים מיקרו-טבעת מסיליקון, ריבוב אורכי גל ואריזה. בעוד ש-IBM אינה מוכרת טרנסיברים כמו אינטל או סיסקו, היא לעיתים קרובות משתפת פעולה בפרוטוטיפים (למשל, IBM ו-Mellanox הציגו קישור אופטית לשרתים ב-2015). הדגש של IBM הוא על שימוש בפוטוניקה לפתרון צווארי בקבוק במחשוב (לדוג', מעבד POWER10 עושה שימוש בקישורים פוטוניים לאותות מחוץ לשבב באמצעות שותפויות). IBM גם תורמת לתקנים ולמחקר פתוח; עבודתה מופיעה לעיתים קרובות בכנסים כמו OFC ו-CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (ארה"ב): NeoPhotonics (כיום חלק מ-Lumentum מאז 2022) מתמחה בלייזרים ורכיבים פוטוניים לתקשורת טלקום ומרכזי נתונים. הם פיתחו לייזרים מתכווננים באור טהור במיוחד ומודולטורים מהירים. ראוי לציון, NeoPhotonics הציגה מכלולים אופטיים קוהרנטיים פוטוניים מסיליקון (COSAs) לתקשורת 400G לכל אורך גל, וחקרה תקשורת 800G ומעבר לכך expertmarketresearch.com. כחלק מ-Lumentum (שחקן מרכזי בתעשיית האופטיקה), המומחיות הזו תורמת לדור הבא של משדרים-מקלטים קוהרנטיים ו-Pluggables לתקשורת טלקום. הבעלות של Lumentum מאפשרת לשלב את מוצרי הפוטוניקה מסיליקון עם פורטפוליו הפוטוניקה הקיים של Lumentum (למשל, מודולטורים ומגברים מאינדיום פוספיד).
Hamamatsu Photonics (יפן): מובילה ברכיבים אופטואלקטרוניים, Hamamatsu מייצרת מגוון רחב של התקנים פוטוניים (פוטודיודות, פוטומכפילים, חיישני תמונה ועוד). Hamamatsu אימצה תהליכי סיליקון לייצור מערכי פוטודיודות סיליקון וחיישנים אופטיים מבוססי סיליקון expertmarketresearch.com. למרות שאינה מתמקדת במיוחד במשדרים-מקלטים מהירים, עבודת הסיליקון פוטוניקס של Hamamatsu חיונית בתחום החישה והציוד המדעי. הם מספקים פוטודיודות PIN מסיליקון, APDs ושבבי חיישנים אופטיים שהם בסיסיים למקלטי תקשורת אופטית ולגלאי LiDAR. המומחיות שלהם בפוטוניקה ברעש נמוך ורגישות גבוהה משלימה את תחום התקשורת הדיגיטלית בפוטוניקה מסיליקון.
STMicroelectronics (שווייץ/אירופה): STMicro היא יצרנית מוליכים למחצה גדולה שפיתחה יכולות פוטוניקה מסיליקון משלה. המיקוד של STMicro היה ב-פתרונות הדמיה וחישה משולבים – לדוגמה, הם ייצרו שבבי פוטוניקה מסיליקון לג'ירוסקופים סיביים ועבדו על מחקר ופיתוח של קישוריות אופטית בקונסורציומים אירופיים. המפעלים המתקדמים והיכולת ב-MEMS של STMicro ממקמים אותה היטב לפוטוניקה מסיליקון שדורשת אינטגרציה עם חיישנים או אלקטרוניקה נוספים expertmarketresearch.com. מדינות כמו צרפת ואיטליה (בהן ל-ST יש פעילות מרכזית) תומכות בפוטוניקה דרך יוזמות, ו-ST היא לעיתים קרובות שותפה בהן. יש גם שמועות כי הם מספקים רכיבי פוטוניקה מסיליקון למערכות תעשייתיות ורכב.
GlobalFoundries (ארה"ב) ו-TSMC (טייוואן): יצרניות שבבים קבלניות אלו הקימו כל אחת הצעות בתחום הפוטוניקה מסיליקון. ל-GlobalFoundries תהליך פוטוניקה מסיליקון מוכר של 45 ננומטר (GF 45CLO) והיא שיתפה פעולה עם סטארטאפים כמו Ayar Labs לייצור שבבי Optical I/O. TSMC הייתה חשאית יותר, אך לפי הדיווחים עובדת עם חברות טכנולוגיה גדולות לבניית שבבים פוטוניים משולבים (למשל, יש שמועות על מעורבות TSMC בחיישנים פוטוניים של Apple). שתיהן קריטיות להגדלת הייצור – נוכחות מפעלים גדולים מאפשרת לכל חברה ללא מפעל לייצר אבות טיפוס וייצור סדרתי של שבבים פוטוניים בקלות רבה יותר. למעשה, המעורבות של מפעלים כאלה היא אינדיקציה חזקה לכך שפוטוניקה מסיליקון הופכת למיינסטרים.
Infinera (ארה"ב) ו-Coherent/II-VI (ארה"ב): Infinera היא יצרנית ציוד תקשורת שטיפחה בשלב מוקדם מעגלים פוטוניים משולבים (אם כי על אינדיום פוספיד). מאז הם הסתגלו גם לשימוש בפוטוניקה מבוססת סיליקון בחלק מהמוצרים או לאריזה משותפת עם ה-PICs שלהם מ-InP. Coherent (שרכשה את Finisar ולאחר מכן אימצה את השם Coherent) מעורבת עמוקות ברכיבים אופטיים; יש להם מפעלי InP משלהם אך הם גם מפתחים משדרים פוטוניים מסיליקון עבור מרכזי נתונים optics.org. חברות אלו מביאות מיקוד ברמת טלקום לאמינות וביצועים, ודוחפות את הפוטוניקה מסיליקון לעמוד בדרישות ברמת ספקיות (למשל, מודולים 400ZR לקישורים קוהרנטיים למרחקים).
Ayar Labs, Lightmatter, וסטארטאפים: גל של סטארטאפים חדשניים דוחף את הפוטוניקה מסיליקון לתחומים חדשים. דנו ב-Ayar Labs (קלט/פלט אופטי ל-AI/HPC) ו-Lightmatter (מחשוב אופטי). אחרים כוללים את Lightelligence (עוד סטארטאפ שבב AI אופטי), Luminous Computing (שילוב פוטוניקה ואלקטרוניקה ל-AI), Celestial AI (רישות אופטי לאשכולות חישוב), OpenLight (מיזם משותף שמציע פלטפורמה פוטונית פתוחה עם לייזרים משולבים), ו-Rockley Photonics (מתמקדים בחיישני בריאות, כיום ברובם נרכשו על ידי Celestial). סטארטאפים אלו בולטים בגישותיהם השאפתניות – למשל, ליבת טנזור פוטונית משולבת תלת-ממדית של Lightmatter או הניסיון של Luminous לבנות מחשב פוטוני מלא. לעיתים קרובות הם משתפים פעולה עם חברות גדולות (למשל, HPE שיתפה פעולה עם Ayar Labs לשימוש בקישורים אופטיים באריג קישוריות של מחשב-על nextplatform.com). סצנת הסטארטאפים תוססת, ונוכחותם דחפה את השחקנים הוותיקים לנוע מהר יותר. משקיף בתעשייה ציין כי יחד עם Ayar, חברות כמו Lightmatter ו-Celestial AI "לכולן יש סיכוי לפרוץ כאשר הפוטוניקה מסיליקון מגשרת בין מנועי חישוב וקישוריות." nextplatform.com
מוסדות אקדמיים ומחקריים: בצד המוסדי, אוניברסיטאות מובילות ומעבדות לאומיות ממלאות תפקיד מרכזי בקידום פוטוניקה מבוססת סיליקון. אוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה (UCSB) בהובלת פרופ' ג'ון באוורס היא כוח מניע, פורצת דרך בלייזרים היברידיים מסיליקון ולייזרי נקודות קוונטיות על סיליקון. MIT, סטנפורד, קולומביה (עם קבוצת פרופ' מיכל ליפסון) ו-Caltech הן מוקדי מחקר נוספים בארה"ב בתחום הפוטוניקה מסיליקון, העוסקים בכל דבר, מפיזיקה של מודולטורים חדשים ועד ארכיטקטורות מחשוב פוטוני. באירופה, IMEC בבלגיה מפעילה תוכנית פוטוניקה מסיליקון ושירות וייפרים רב-פרויקטיים (iSiPP), ואוניברסיטת סאות'המפטון, TU איינדהובן, EPFL ואחרים מחזיקים קבוצות חזקות. מכון AIM Photonics בארה"ב (שהוזכר לעיל) מאגד רבים מהמוסדות והחברות הללו לשיתופי פעולה ומספק תשתית ייצור לאומית. מעבדות ממשלתיות כמו MIT Lincoln Lab ו-IMEC אף הדגימו פוטוניקה משולבת מתקדמת עבור הגנה (למשל, מערכי פאזה אופטיים ל-LiDAR). בנוסף, שיתופי פעולה וכנסים בינלאומיים (כגון Optical Fiber Conference, ISSCC, כנסי IEEE Photonics Society) מאפשרים למוסדות הללו לחלוק פריצות דרך. התחום נהנה מצינור אקדמיה-תעשייה בריא: מייסדי סטארט-אפים ומובילי תעשייה רבים הוכשרו במעבדות מחקר אלו, ומחקר אקדמי מתמשך ממשיך לדחוף את הגבול (למשל, אינטגרציה של חומרים חדשים או פוטוניקה קוונטית כפי שהוזכר).

כל השחקנים הללו – חברות טכנולוגיה גדולות, יצרני רכיבים מתמחים, סטארט-אפים שאפתניים ומעבדות מחקר פורצות דרך – יוצרים מערכת אקולוגית עשירה שדוחפת יחד את תחום הפוטוניקה מסיליקון קדימה. התחרות והשותפות ביניהם מאיצות חדשנות. ראוי לציין שגם גיאופוליטיקה משחקת תפקיד: ישנה מודעות למרוץ בין ארה"ב, אירופה וסין על ההובלה בטכנולוגיות פוטוניות csis.org, בשל חשיבותן האסטרטגית לתקשורת ומחשוב. הדבר הוביל להשקעות ציבוריות מוגברות (למשל, PhotonHub של האיחוד האירופי ויוזמות פוטוניקה לאומיות בסין). עבור חובב הטכנולוגיה הכללי, המסר הוא שמוחות מבריקים ומשאבים רציניים ברחבי העולם מושקעים בהפיכת השבבים העתידיים שלנו לתקשורת באמצעות אור.

תובנות וציטוטים של מומחים

לאורך עליית הפוטוניקה מסיליקון, מומחים בתחום הציעו נקודות מבט המסייעות להעמיק את ההבנה של השפעתה. הנה כמה תובנות בולטות:

על שינוי הפרדיגמה בפוטוניקה מבוססת סיליקון: "לעיתים קרובות תיארתי את פוטוניקת הסיליקון כיותר משיפור הדרגתי — זהו שינוי פרדיגמה," אומר רנה יונקר, מנהל ב-Soitec, ומדגיש שבניגוד למוליכים מנחושת שמגיעים למגבלותיהם, קישורים אופטיים מספקים דרך בת-קיימא להתמודד עם הביקוש הגובר לנתונים. למרות שנותרו אתגרים בהפחתת עלויות ובהגדלת הייצור, היתרונות – "רוחב פס גבוה יותר, השהיה מופחתת וצריכת חשמל נמוכה יותר" – הופכים את פוטוניקת הסיליקון ל"חלק בלתי נפרד מתשתיות העתיד שלנו." laserfocusworld.com
על צריכת החשמל והאופטיקה במרכזי נתונים: מאמר דעה ב-Laser Focus World משנת 2025 הדגיש את הדחיפות במרכזי הנתונים: עד סוף העשור, מרכזי נתונים עלולים לצרוך 8% מהחשמל בארה"ב אם המגמות יימשכו, דבר שהוא "בלתי-קיים עם קישורים חשמליים קיימים." הכותב סיכם כי "קישורים אופטיים, המופעלים על ידי פוטוניקת סיליקון, הם הדרך הסקלבילית היחידה קדימה." laserfocusworld.com במילים אחרות, כדי להימנע ממשבר אנרגיה ורוחב פס, המעבר לקישורים אופטיים אינו רק אפשרות – הוא הכרחי.
על אתגרי האינטגרציה: פרופסור ג'ון באוורס (UCSB), דמות בולטת בפוטוניקה, התייחס לאתגר הקשה ביותר: "האתגר המרכזי הוא אינטגרציה של חומרים מסוג III–V לתוך CMOS סיליקון… נותרו בעיות של תפוקות גבוהות, אמינות גבוהה, הפחתת עלויות וחיבור סיבים. האריזה של אלקטרוניקה ופוטוניקה יחד היא אתגר… אבל ההתקדמות מהירה מאוד." nature.com הדבר מדגיש שלמרות שאינטגרציה של לייזרים (חומרים מסוג III–V) והשגת תפוקות מושלמות היא משימה קשה, התקדמות יציבה נעשית על ידי מובילי התעשייה כמו אינטל, ופתרונות באופק.
על פליטת אור בסיליקון: באותו ראיון, באוורס נתן תיאור ציורי מדוע לייזרים זקוקים למשהו שאינו סיליקון: "סיליקון הוא גרוע במיוחד כפולט אור. היעילות הקוונטית הפנימית שלו היא בערך אחד למיליון, בעוד שלחומר III–V עם פער פס ישיר היעילות היא כמעט 100%. ידעתי מההתחלה שאנחנו צריכים מוליך למחצה עם פער פס ישיר…" nature.com. הערכה כנה זו מסבירה מדוע הצוות שלו פיתח לייזרים היברידיים (הדבקת InP ל-Si) כבר בשלבים מוקדמים – גישה שהניבה פירות עם הלייזר ההיברידי של אינטל ב-2007 ואילך.
בהגעה לשרת עם אופטיקה: רוברט בלום, מנהל בכיר לפוטוניקה באינטל, המחיש כיצד האופטיקה חודרת פנימה במרכזי נתונים: “כשאתה נכנס היום למרכז נתונים, תראה כבלי נחושת של 100 Gb/s… זה בסדר לארבעה מטרים. אבל כל מה שמעבר לארון כבר משתמש באופטיקה. כשנעלה ל-200 או 400 Gb/s, [ה]טווח של הנחושת מתקצר מאוד ואנחנו מתחילים לראות את המגמה הזו שבה האופטיקה מגיעה עד לשרת.” tanaka-preciousmetals.com ציטוט זה ממחיש היטב את המעבר המתמשך – האופטיקה מחליפה בהדרגה את הנחושת מליבת הרשת ועד לקצוות.
על צמיחת השוק ובינה מלאכותית: “העלייה בבינה המלאכותית יצרה ביקוש חסר תקדים למשדרים-מקלטים עתירי ביצועים… פוטוניקה מבוססת סיליקון ו-PIC נמצאים בחזית המהפכה הזו,” מציין סם דייל, אנליסט טכנולוגיה ב-IDTechX, ומדגיש את היכולת של פוטוניקה מבוססת סיליקון לספק “מהירויות של 1.6 Tbps ומעלה.” optics.org הדו"ח שלו חוזה ששוק המעגלים הפוטוניים המשולבים עשוי לגדול כמעט פי עשרה עד 2035 (ל-54 מיליארד דולר), מונע בעיקר על ידי צרכי מרכזי נתונים לבינה מלאכותית optics.org.
על עתיד המחשוב: אנליסטים מ-The Next Platform צופים ש-I/O אופטי ייכנס למערכות HPC בקרוב מאוד. הם מציינים שעד 2026–2027, סביר שנראה מעבדי CPU/GPU מרכזיים עם ממשקים אופטיים, כי “בטווח הקרוב, אין לנו ברירה.” בניסוח הצבעוני שלהם, “הזמן של הנחושת נגמר.” nextplatform.com זה מסכם תחושה רווחת בתעשייה: קישורים חשמליים לא יספיקו לעידן הבא של המחשוב, ופוטוניקה חייבת להיכנס כדי למנוע הגעה למבוי סתום.

תובנות אלו מהמומחים מדגישות גם את ההבטחה וגם את האתגרים של פוטוניקה מבוססת סיליקון. יש כאן קו מנחה עקבי: פוטוניקה מבוססת סיליקון היא מהפכנית – מאפשרת קפיצה נדרשת בביצועים – אך היא מגיעה עם אתגרים טכנולוגיים משמעותיים שמטופלים במהירות. המומחים מדגישים שילוב של אופטימיות (שינוי פרדיגמה, עתיד בלתי נמנע) וריאליזם (בעיות אינטגרציה, עלות ודאגות לגבי קנה מידה). נקודות המבט שלהם עוזרות לקהל הרחב להבין מדוע כל כך הרבה חברות וחוקרים נלהבים מפוטוניקה מבוססת סיליקון, וגם מדוע לקח כמה עשורים להרים את הטכנולוגיה הזו. לשמוע זאת מפי מי שנמצאים בחזית – בין אם זה חוקר ותיק או מנהל מוצר – נותן הקשר לכך שמדובר בתחום שבו פיזיקה, הנדסה וכוחות שוק מצטלבים בדרכים מרתקות.

חדשות ואבני דרך עדכניות

תחום הפוטוניקה מבוססת סיליקון דינמי מאוד. הנה כמה כותרות חדשות עדכניות ואבני דרך (מהשנה האחרונה בערך) שממחישות את ההתקדמות המהירה בתחום:

Celestial AI רוכשת את קניין הרוחני של Rockley Photonics (אוקטובר 2024): Celestial AI, סטארטאפ המפתח חיבורים אופטיים Photonic Fabric™ ל-AI, הודיע שרכש את פורטפוליו הפטנטים של Rockley Photonics בתחום הפוטוניקה הסיליקונית תמורת 20 מיליון דולר datacenterdynamics.com. Rockley פיתחה חיישנים פוטוניים מתקדמים ועברה לתחום המכשירים הלבישים הבריאותיים לפני שנקלעה לפשיטת רגל. העסקה העניקה ל-Celestial AI מעל 200 פטנטים, כולל טכנולוגיה למודולטורים אלקטרו-אופטיים ומיתוג אופטי לשימוש במרכזי נתונים datacenterdynamics.com. מדובר בקונסולידציה משמעותית, שמדגישה עד כמה קניין רוחני בתחום הפוטוניקה הפך יקר ערך בעולם ה-AI ומרכזי הנתונים. החידושים של Rockley (כמו לייזרים רחבי סרט לחישה) עשויים לקבל חיים חדשים כחלק מהפתרונות של Celestial לחיבורים אופטיים.
גיוסי ענק לסטארטאפים – Ayar Labs ו-Lightmatter (סוף 2024): שני סטארטאפים אמריקאיים השלימו סבבי גיוס גדולים. Ayar Labs השלימה סבב D של 155 מיליון דולר בדצמבר 2024, בהשתתפות מובילי תעשיית השבבים (Nvidia, Intel, AMD השקיעו לצד קרנות הון סיכון) nextplatform.com. סבב זה העלה את שווי Ayar ליותר ממיליארד דולר, מה שמבטא אמון בטכנולוגיית ה-I/O האופטי בתוך המארז, שמטרתה להחליף חיבורים חשמליים במעבדים עתידיים. שבועות ספורים קודם לכן, Lightmatter גייסה 400 מיליון דולר בסבב D (אוקטובר 2024), הכפילה את סך הגיוסים שלה והגיעה לשווי של 4.4 מיליארד דולר nextplatform.com. Lightmatter מפתחת שבבי מחשוב פוטוניים וטכנולוגיית אינטרפוזר אופטית להאצת AI. השקעות כה גדולות הן יוצאות דופן – הן מראות שמשקיעים (ושותפים אסטרטגיים) מאמינים שלסטארטאפים הללו יש פתרונות לבעיות קריטיות ב-AI ובמחשוב באמצעות טכנולוגיה אופטית. זה גם אומר שנראה את החברות עוברות מאבות-טיפוס למוצרים בפועל; ואכן, Lightmatter כבר פורסת מערכות ניסוי ו-Ayar מתכננת שימוש פיילוט בצ'יפלטים האופטיים שלה במערכות HPC.
אינטל מעבירה את ייצור המשדרים ל-Jabil (סוף 2023): במהלך מעניין, אינטל החליטה בסוף 2023 להעביר את עסק המשדרים הפוטוניים בנפח גבוה שלה ל-Jabil, שותפת ייצור optics.org. אינטל שלחה מעל 8 מיליון שבבי משדרים פוטוניים מאז 2016 optics.org – אלה משמשים לקישוריות 100G/200G במרכזי נתונים. על ידי העברת הייצור ל-Jabil (יצרנית קבלנית), אינטל אותתה על שינוי אסטרטגי: היא תתמקד בשילוב פוטוניקה עם הפלטפורמות המרכזיות שלה (כמו אופטיקה משולבת ופתרונות פוטוניקה על המעבד), ותאפשר לשותפה לטפל בשוק המשדרים שהפך למוצר מדף. מהלך זה משקף גם תעשייה מתבגרת – מה שהיה טכנולוגיה פורצת דרך לפני כמה שנים (100G pluggables) הפך כיום לשגרה שניתן למיקור חוץ. Jabil, מצידה, בונה יכולות ייצור אופטיות, שעשויות לשרת גם לקוחות נוספים. שיתוף הפעולה בין אינטל ל-Jabil הובלט כהתפתחות מפתח בתעשייה על ידי אנליסטים optics.org, שציינו זאת כחלק מהתפתחות המערכת האקולוגית.
InnoLight חושפת מודול 1.6 טרה-ביט לשנייה (סוף 2023): במרוץ למהירויות גבוהות יותר, InnoLight, חברת משדרים אופטיים סינית, הודיעה כי פיתחה אבטיפוס של משדר אופטי בקצב 1.6 טרה-ביט לשנייה optics.org. ככל הנראה מדובר במספר אורכי גל (למשל 16×100G או 8×200G ערוצים) על פלטפורמת סיליקון פוטוני. השגת 1.6 טרה-ביט לשנייה במודול יחיד שנה לפני חלק מהמתחרים מצביעה על התחזקות סין בתחום הפוטוניקה מבוססת סיליקון. המודול של InnoLight עשוי לשמש לקישורי uplink של מתגי top-of-rack או לחיבור מערכות בינה מלאכותית. זה גם רמז לכך שמודולים של 3.2 טרה-ביט לשנייה (שישתמשו למשל ב-8 אורכי גל של 400G כל אחד) אינם רחוקים – למעשה, IDTechX חזו מודולים של 3.2 טרה-ביט לשנייה עד 2026 optics.org. זה היה שיא שתפס כותרות שמדגיש את התחרות הגלובלית האינטנסיבית; Coherent (ארה"ב) ואחרים עובדים גם הם על עיצובים של 1.6T ו-3.2T optics.org.
התקדמות השבב הקוונטי הפוטוני של PsiQuantum (2024): בחזית הקוונטית, PsiQuantum (שידועה כסודית אך פועלת עם GlobalFoundries) פרסמה מחקר המתווה דרך למחשב קוונטי פוטוני עמיד לאובדן, והכריזה על שבב בשם "Omega" לארכיטקטורה הקוונטית הפוטונית שלה thequantuminsider.com. אמנם עדיין לא מדובר במוצר מסחרי, אך הדבר מראה שחומרת מחשוב קוונטי פוטוני מתקדמת – עם פוטוניקה מבוססת סיליקון בליבה. הגישה של PsiQuantum דורשת אינטגרציה של אלפי מקורות פוטון בודד וגלאים. החדשות כאן הן אימות יכולת ייצור: מאמר ב-Nature מ-2022 הדגים רכיבים מרכזיים (מקורות, מסננים, גלאים) על שבב פוטוני מסיליקון יחיד שניתן להרחבה nature.com. הדבר מרמז שהם בדרך לאבן דרך סביב אמצע שנות ה-2020 עד תחילת שנות ה-2030 עבור אב-טיפוס של מחשב קוונטי אופטי עם מיליון קיוביטים (היעד ארוך הטווח שלהם). פיתוחים כאלה, אף שהם נישתיים, זוכים למעקב הדוק שכן הם עשויים להגדיר מחדש את תחום החישוב העילי.
סטארטאפים לפוטוניקה מבוססת ליתיום ניובאט ממומנים (2023): כפי שצוין, שני סטארטאפים המתמקדים באינטגרציה של LiNbO₃ עם פוטוניקה מסיליקון, HyperLight (ארה"ב) ו-Lightium (שווייץ), גייסו יחד 44 מיליון דולר ב-2023 optics.org. הידיעה על המימון הייתה בולטת כי היא מדגישה מגמה: הוספת חומרים חדשים לפוטוניקה מסיליקון כדי לפרוץ מגבלות ביצועים. החברות הללו מציגות מודולטורים שיכולים לפעול בקוויות גבוהה ובטווח רחב של אורכי גל (מהנראה ועד תת-אדום בינוני) עם הפסד נמוך מאוד optics.org. היישום המיידי עשוי להיות מודולטורים מהירים במיוחד לתקשורת או התקנים ייעודיים לפוטוניקה קוונטית ו-RF. הנקודה הרחבה יותר היא שגם קהילת ההשקעות תומכת בחדשנות חומרים בפוטוניקה, ולא רק בסטארטאפים הברורים של משדרים-מקלטים. זהו סימן לכך שאפילו התקדמות במדע החומרים (כמו TFLN על מבודד) יכולה לעבור במהירות לסטארטאפים ומוצרים בתחום זה.
עדכונים על תקנים וקונסורציומים (2024–25): חלו התפתחויות בתחום התקינה. Continuous-Wave WDM MSA (קונסורציום שמגדיר מודולי מקור אור סטנדרטיים לאופטיקה משולבת במארז) פרסם מפרטים ראשוניים למקורות לייזר משותפים שיכולים להזין מספר שבבים פוטוניים. זה חשוב כדי להבטיח תאימות בין יצרנים שונים לאופטיקה משולבת במארז. בנוסף, קונסורציום UCIe (לחיבורי צ'יפלטים) הקים קבוצת עבודה אופטית לבחינת תקנון קישורי צ'יפלט אופטיים. במקביל, ארגונים כמו COBO (Consortium for On-Board Optics) ו-CPO Alliance קיימו פסגות (למשל, ב-OFC 2024) לדיון בשיטות עבודה מומלצות לאופטיקה משולבת במארז ansys.com. כל זאת כדי לומר, שהתעשייה מכירה בצורך לתאם ממשקים ולמנוע פיצול שעלול להאט את האימוץ. חדשות אחרונות מ-IEEE גם הצביעו על התקדמות בתקני אתרנט 1.6T ותקני ממשק אופטיים נלווים שמניחים שימוש בטכנולוגיות סיליקון פוטוני.
השקות מוצרים: בצד המוצרים, אנו רואים חומרה אמיתית שמתחילה לצאת לשוק:
- מודולים נשלפים 800G: מספר יצרנים (אינטל, Marvell/Inphi ועוד) החלו לדגום מודולי 800G QSFP-DD ו-OSFP ב-2024 המשתמשים בסיליקון פוטוני. סביר להניח שאלה יוטמעו במתגים וברשתות ב-2025.
- ערכות הדגמה ל-CPO: חברות כמו Ranovus ו-IBM הדגימו ערכות פיתוח לאופטיקה משולבת במארז – שלב מקדים למוצרים מסחריים בתחום. לדוגמה, אב-טיפוס מחקרי של IBM למתג משולב במארז הוצג כעובד, ול-Ranovus יש מודול CPO עם 8×100G אורכי גל.
- מוצרי לידאר סיליקון פוטוני: Innovusion (סין) ו-Voyant Photonics (ארה"ב) הודיעו על התקדמות בלידאר מבוסס סיליקון פוטוני. הלידאר החדש של Innovusion לרכבים עושה שימוש ברכיבים פוטוניים מסיליקון כדי להשיג FMCW בעלות תחרותית. Voyant, סטארט-אפ שמבוסס על מחקר מאוניברסיטת קולומביה, מוכר בפועל מודול לידאר מוצק זעיר מבוסס סיליקון פוטוני לשימוש ברחפנים ורובוטים.
- צ'יפלטים לאופטיקה I/O: עד אמצע 2025, Ayar Labs מתכננת ש-TeraPHY optical I/O chiplet ו-SuperNova laser source שלה יהיו בבדיקות ראשוניות אצל לקוחות, ויספקו קישור אופטי של 8 טרה-ביט לשנייה למערכות HPC. אם זה יתקדם כמתוכנן, זו עשויה להיות אחת ההטמעות הראשונות של I/O אופטי במערכת מחשב (כנראה במעבדת ממשלה או מחשב-על ניסיוני ב-2025–26).

רצף החדשות האחרונות מציג תמונה של תחום שנמצא ב-התקדמות מהירה במספר חזיתות: מפריצות דרך במהירות (אופטיקה 1.6T) ועד מהלכים אסטרטגיים גדולים (אינטל מוציאה ייצור החוצה, סבבי גיוס ענקיים) והטמעות ראשונות מסוגן (מנועים אופטיים ל-AI). זהו זמן מרגש, כי התפתחויות אלו מעידות שסיליקון פוטוני עובר מטכנולוגיה מבטיחה ל-מציאות מסחרית עם השפעה הולכת וגדלה על מוצרים ותעשיות.

לקהל הרחב, הנקודה המרכזית מכל החדשות הללו היא ש-פוטוניקה מבוססת סיליקון אינה הבטחה רחוקה – זה קורה עכשיו. חברות משקיעות כסף ומשאבים בתחום, מוצרים אמיתיים כבר נשלחים, וכל רבעון מביא עמו אבני דרך חדשות ששוברות שיאים קודמים. זהו תחום שמתפתח במהירות, ואפילו קוראים שמבינים בטכנולוגיה עשויים להיות מופתעים מכמה מהר דברים כמו "צ'יפלטים אופטיים" או "מודולים של 1.6 טרה-ביט" כבר כאן. החדשות גם מדגישות שמדובר במרוץ עולמי – עם פעילות משמעותית בארה"ב, אירופה ואסיה – ושהוא משתרע מהזנקי דיפ-טק ועד לחברות השבבים וספקיות הרשת הגדולות ביותר.

תחזית לעתיד וניבויים

בהסתכלות קדימה, עתיד הפוטוניקה מבוססת הסיליקון נראה מבטיח מאוד, עם פוטנציאל ל-הגדיר מחדש את עולם המחשוב והתקשורת בעשור הקרוב. הנה כמה תחזיות וציפיות למה שצופן העתיד:

אימוץ נרחב במחשוב: לקראת סוף שנות ה-2020, ניתן לצפות שפוטוניקה מבוססת סיליקון תהפוך לתכונה סטנדרטית במערכות מחשוב מתקדמות. כפי שצוין, בין 2026–2027 צפויים להופיע המעבדים הראשונים (CPU, GPU או מאיצי AI) עם קלט/פלט אופטי משולב nextplatform.com. בתחילה, אלה עשויים להופיע בשווקים מתמחים (סופר-מחשבים, מערכות מסחר בתדירות גבוהה, אשכולות AI מתקדמים), אך הם יסללו את הדרך לאימוץ רחב יותר. ברגע שהטכנולוגיה תוכח ונפחים יגדלו, קלט/פלט אופטי עשוי לחלחל גם לשרתים ולמכשירים מיינסטרימיים יותר בשנות ה-2030. דמיינו שרתי מתלה שבהם לכל מעבד יש יציאות סיב אופטי ישירות על החבילה, שמתחברות למתג אופטי בראש המתלה; זה עשוי להפוך לנפוץ. גם צוואר הבקבוק של הזיכרון עשוי להיפתר באמצעות קישורים אופטיים – למשל, חיבור מודולי זיכרון למעבדים באופן אופטי כדי לאפשר רוחב פס גדול יותר למרחק (חוקרים מסוימים מדברים על "פירוק זיכרון אופטי" עבור מאגרי זיכרון משותפים גדולים). לסיכום, מרכז הנתונים של העתיד (ובהרחבה גם שירותי הענן של העתיד) כנראה ייבנה על גבי מארג של קישורים אופטיים בכל רמה, הודות לפוטוניקה מבוססת סיליקון.
רשתות טרה-ביט לכולם: קיבולת קישורי הרשת תמשיך לזנק קדימה. אנחנו מדברים על 1.6 Tb/s, 3.2 Tb/s, אפילו 6.4 Tb/s טרנסיברים אופטיים במודול יחיד עד תחילת שנות ה-30. המהירויות האלו מדהימות – קישור של 3.2 Tb/s יכול להעביר סרט 4K בשבריר אלפית שנייה. אמנם המהירויות האלו ישמשו בעיקר בעמודי השדרה של מרכזי נתונים וברשתות טלקום, אך בעקיפין הן מיטיבות עם הצרכנים (אינטרנט מהיר יותר, שירותי ענן חזקים יותר). עד 2035, אנליסטים צופים ששוק המעגלים הפוטוניים המשולבים יגיע ליותר מ-50 מיליארד דולר, בעיקר בזכות הטרנסיברים האלו עבור AI ומרכזי נתונים optics.org. ייתכן שנראה את 800G ו-1.6T הופכים ל-100G החדש, כלומר הם יהיו קישורי העבודה המרכזיים ברשתות. וככל שהנפח יעלה, עלות לביט תרד, מה שיהפוך קישוריות מהירה לזולה ונפוצה יותר. סביר להניח שגם מכשירי צרכן (כמו למשל קסדת VR שזקוקה לקישור ברוחב פס גבוה במיוחד למחשב או קונסולה) ישתמשו בכבל USB אופטי או Thunderbolt אופטי להעברת עשרות או מאות ג'יגה-ביט ללא שיהוי או אובדן.
מהפכה בתקשורת: בתחום הטלקום, פוטוניקה מבוססת סיליקון תסייע לממש רשתות אופטיות מלאות ביעילות גבוהה בהרבה. תקשורת אופטית קוהרנטית עם פוטוניקה משולבת צפויה להגיע ליותר מ-1 Tb/s לכל אורך גל (עם קונסטלציות מתקדמות ואולי DSP טרנסיבר משולב). זה עשוי להפוך ערוצים אופטיים של מולטי-טרה-ביט לכלכליים, ולהפחית את מספר הלייזרים/סיבים הנדרשים. פוטוניקה מבוססת סיליקון גם תהפוך מולטי-פלכסרים אופטיים ניתנים לתכנות (ROADMs) וציוד רשת אחר לקטנים ויעילים יותר בצריכת חשמל, מה שיקל על פריסת רשתות 5G/6G בקיבולת גבוהה ותשתית סיבים עד הבית טובה יותר. תחום מסוים למעקב הוא לייזרים משולבים לטלוויזיה בכבלים / גישה בסיבים: לייזרים מתכווננים זולים על סיליקון עשויים לאפשר לכל בית קישור סימטרי של 100G, למשל. על ידי שילוב פונקציות אופטיות, מפעילי טלקום יוכלו לפשט מרכזיות וראשי רשת. התוצאה נטו תהיה שירותי אינטרנט מהירים ואמינים יותר, בעלות פוטנציאלית נמוכה יותר, כשהכול מונע מאחורי הקלעים על ידי שבבי פוטוניקה מבוססי סיליקון.
מחשוב AI ומנועים אופטיים: בתחום ה-AI, אם חברות כמו Lightmatter ו-Lightelligence יצליחו, ייתכן שנראה את ה-מעבדי המשנה האופטיים הראשונים במרכזי נתונים. אלו יאיצו כפל מטריצות או ניתוח גרפים באמצעות אור, ויוכלו להציע קפיצה בביצועים לוואט. ייתכן שבתוך 5 שנים, חלק ממרכזי הנתונים יכילו ארונות של מאיצי AI אופטיים לצד GPUs, שיטפלו במשימות ייעודיות במהירות עצומה (למשל, הסקה מהירה במיוחד לשירותים בזמן אמת). גם אם מחשבים אופטיים מלאים יישארו מוגבלים, הגישה ההיברידית (אלקטרוניקה לשליטה לוגית, פוטוניקה להעברת נתונים כבדה ופעולות כפל-צבירה) עשויה להפוך לאסטרטגיה מרכזית להמשך קנה המידה של ביצועי AI. על ידי הפחתת חום וצריכת חשמל, פוטוניקה יכולה לסייע לשמור על היתכנות אימון AI ככל שהמודלים גדלים לטריליוני פרמטרים. בקיצור, פוטוניקה מבוססת סיליקון עשויה להיות "הרוטב הסודי" שיאפשר את קפיצת ה-1000× הבאה בגודל מודלי AI/נתוני אימון – מבלי להמיס את רשת החשמל.

tanaka-preciousmetals.com

תצוגות הולוגרפיות

פוטוניקה בממלכה הקוונטית: אם נביט רחוק יותר לעתיד, ייתכן שטכנולוגיות פוטוניקה קוונטית יבשילו. אם PsiQuantum או אחרים יצליחו, ייתכן שיהיה לנו מחשב קוונטי פוטוני שיעקוף מחשבי-על קלאסיים במשימות מסוימות – אולי עם מיליוני פוטונים שזורים המעובדים על שבב. זו תהיה קפיצת מדרגה אדירה, אולי מהפכנית כמו המחשבים האלקטרוניים הראשונים. למרות שזה עשוי להיות מעבר ל-2030, התקדמות בינתיים עשויה להניב סימולטורים קוונטיים או מערכות תקשורת קוונטית מרושתות באמצעות פוטוניקה סיליקונית. לדוגמה, קישורי תקשורת קוונטית מאובטחים (רשתות QKD) עשויים להיפרס ברשתות עירוניות באמצעות משדרי QKD פוטוניקה סיליקונית סטנדרטיים במרכזי נתונים. יש גם פוטנציאל לחיישנים קוונטיים על שבב (כמו ג'ירוסקופים אופטיים ברגישות קוונטית) שישמשו בניווט או במדע.
מחקר מתמשך ואופקים חדשים: תחום הפוטוניקה הסיליקונית עצמו ימשיך להתפתח. חוקרים כבר בוחנים אינטגרציה תלת-ממדית – ערימת שבבים פוטוניים עם אלקטרוניים לצימוד הדוק יותר (חלקם בודקים מיקרו-בליטות או טכניקות הדבקה כדי לשים אינטרפוזר פוטוני מתחת למעבד, למשל). יש גם דיבורים על רשתות אופטיות על שבב (ONoC), שבהן במקום או בנוסף לרשתות חשמליות על שבב, מעבדים משתמשים באור לתקשורת בין ליבות. אם בעתיד יהיו למעבדים רבי-ליבות רשתות אופטיות פנימיות, זה עשוי להסיר צווארי בקבוק של רוחב פס בתוך השבב (זה עוד רחוק, אך הוכח קונספטואלית במעבדות). ננו-פוטוניקה עשויה גם להיכנס לתמונה: רכיבים אופטיים פלסמוניים או ננומטריים שפועלים במהירויות גבוהות מאוד או בשטח זעיר במיוחד, ואולי ישולבו עם פוטוניקה סיליקונית למשימות מסוימות (כמו מודולטורים אולטרה-קומפקטיים). ומי יודע, אולי יום אחד מישהו ישיג את הגביע הקדוש של לייזר סיליקון באמצעות טריק חומרים חכם – מה שיפשט מאוד את האינטגרציה הפוטונית.
תחזית שוק ותעשייה: מבחינה כלכלית, סביר שנראה את שוק הפוטוניקה הסיליקונית פורח. לפי IDTechX, עד 2035 צפוי שווי שוק של כ-54 מיליארד דולר optics.org. ראוי לציין כי אמנם תקשורת נתונים תהווה את החלק הארי, אך כ-11 מיליארד דולר מהסכום הזה עשויים להגיע מיישומים שאינם תקשורת נתונים (טלקום, לידאר, חיישנים, קוונטום וכו') optics.org. המשמעות היא שהיתרונות של הטכנולוגיה יתפשטו על פני מגזרים רבים. ייתכן שנראה גם טלטלות או שותפויות גדולות בתעשייה: למשל, האם ענקית טכנולוגיה תרכוש אחד מהסטארטאפים היוניקורנים בתחום הפוטוניקה (דמיינו את Nvidia רוכשת את Ayar Labs או Lightmatter כדי להבטיח יתרון במחשוב אופטי)? זה אפשרי ככל שההימור עולה. בנוסף, התחרות הבינלאומית עשויה להתעצם – ייתכן שנראה השקעות משמעותיות של ממשלות כדי להבטיח הובלה (בדומה לאופן שבו תעשיית השבבים נחשבת אסטרטגית). פוטוניקה סיליקונית עשויה להפוך לחלק מרכזי באסטרטגיות טכנולוגיה לאומיות, מה שיכול להאיץ עוד יותר מימון מו"פ ותשתיות.

במבט רחב יותר, אם נביט על התמונה הגדולה, העתיד עם פוטוניקה סיליקונית הוא עתיד שבו הגבולות בין חישוב ותקשורת מיטשטשים. המרחק הופך לפחות מגביל – נתונים עשויים לעבור בתוך שבב או בין ערים בקלות שווה על גבי סיבים אופטיים. זה עשוי לאפשר ארכיטקטורות כמו מחשוב מבוזר, שבהן המיקום הפיזי של המשאבים כמעט לא משנה כי קישורים אופטיים הופכים את השיהוי לנמוך ואת רוחב הפס לגבוה. ייתכן שנראה מרכזי נתונים מפורקים באמת, שבהם חישוב, אחסון וזיכרון מחוברים אופטית כמו קוביות לגו. שיפורי היעילות האנרגטית של הפוטוניקה עשויים גם לתרום ל-ICT ירוק יותר, דבר חשוב ככל שהתיאבון האנרגטי של התשתית הדיגיטלית גדל.

כפי שאמר אחד הוותיקים בתעשייה, "המסע להרחבת הפוטוניקה הסיליקונית הוא מרגש לא פחות משהוא מאתגר." laserfocusworld.com השנים הקרובות ללא ספק יביאו עמן מכשולים, אך ישנה נחישות משותפת באקדמיה ובתעשייה להתגבר עליהם. באמצעות שיתוף פעולה וחדשנות – שילוב של מדעי החומרים, הנדסת שבבים ופוטוניקה – המומחים בטוחים שנעמוד באתגרים ונממש את מלוא הפוטנציאל של פוטוניקה סיליקונית laserfocusworld.com. התחזית לעתיד היא שהטכנולוגיה הזו תעבור מהשוליים (חיבור המכשירים שלנו או שדרוג מערכות ייעודיות) אל ליבת המחשוב והקישוריות. למעשה, אנו עדים לזריחה של עידן חדש – עידן שבו האור, ולא רק האלקטרונים, נושא את הדם של המידע דרך המכשירים והרשתות שמניעים את החיים המודרניים. וזהו שינוי מהפכני אמיתי שיתפרס על פני העשור הקרוב ומעבר לו.

מקורות: הגדרות ויתרונות של פוטוניקה סיליקון ansys.com ansys.com; יישומים בחישה, LiDAR, קוונטום ansys.com ansys.com; מגמות מרכזי נתונים ו-AI laserfocusworld.com, optics.org; ציטוטים ותובנות של מומחים laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; מובילי תעשייה expertmarketresearch.com; חדשות והשקעות עדכניות datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; תחזיות לעתיד optics.org