Revolucija silicijumske fotonike – tehnologija brza kao svetlost menja veštačku inteligenciju, data centre i još mnogo toga

• Silicijumska fotonika koristi silicijumske fotonske integrisane kola (PIC) za manipulaciju svetlom u obradi podataka i komunikaciji, omogućavajući međupovezivanje na čipu i između čipova brzinama kao što su 100 Gb/s i 400 Gb/s.
• Silicijumski fotonski čip veličine nokta može imati desetine laserskih kanala i, uz gustu talasnu multipleksaciju, prenositi terabite podataka.
• Međupovezivanje u data centrima ima koristi od optičkih veza koje troše manje energije i omogućavaju veću gustinu, a prototipi poput čipova za preklapanje od 51,2 Tb/s sa integrisanim optičkim I/O su demonstrirani.
• Ayar Labs je 2024. godine demonstrirao optički čiplet koji isporučuje 8 Tbps protoka koristeći 16 talasnih dužina, a kasna Serija D iz 2024. prikupila je 155 miliona dolara uz učešće Nvidie, AMD-a i Intela, čime je vrednost kompanije premašila milijardu dolara.
• Intel je krajem 2023. godine prepustio proizvodnju svojih silicijumskih fotonskih transceivera kompaniji Jabil, nakon što je od 2016. isporučio više od 8 miliona fotonskih transceiver čipova.
• InnoLight je krajem 2023. demonstrirao prototip optičkog transceivera od 1,6 Tbps, a moduli od 3,2 Tbps se očekuju do 2026. kako se približavaju veze sa više terabita.
• Američki institut AIM Photonics dobio je sedmogodišnji program vredan 321 milion dolara do 2028. za unapređenje proizvodnje integrisane fotonike u SAD, omogućavajući izgradnju silicijumske fotonske fabrike i linije za pakovanje u Njujorku.
• Broadcom je 2023. demonstrirao prototipe optičkih preklopnika sa 25,6 Tbps i 51,2 Tbps sa integrisanim laserskim fotonskim motorima.
• Lightmatter je prikupio 400 miliona dolara u Seriji D 2024. za finansiranje svoje optičke AI akceleratorske platforme, a PsiQuantum je javno predstavio put do fotonskog kvantnog računara otpornog na gubitke sa svojim Omega čipom 2024. godine.
• Analitičari predviđaju da će tržište silicijumske fotonike dostići oko 54 milijarde dolara do 2035, od čega će oko 11 milijardi dolaziti iz ne-podatkovnih aplikacija, uglavnom zahvaljujući potrebama AI data centara.

Šta je silicijumska fotonika i kako funkcioniše?

Silicijumska fotonika je tehnologija koja koristi na silicijumu zasnovana fotonska integrisana kola (PIC) za manipulaciju svetlom (fotonima) u obradi i komunikaciji. Jednostavno rečeno, to znači izradu optičkih uređaja (kao što su laseri, modulatori i detektori) na silicijumskim čipovima, slično kao što se prave elektronska kola. Ovi silicijumski fotonski čipovi mogu slati i primati podatke pomoću svetlosti, omogućavajući ultra-brz prenos podataka sa velikim protokom i malim gubicima energije ansys.com. Ključne komponente uključuju talasovode (sićušne optičke „žice“ koje vode svetlost kroz čip), modulatore (koji kodiraju podatke na svetlosne zrake), lasere (koji se obično dodaju drugim materijalima jer sam silicijum ne može emitovati svetlost) i fotodetektore (koji pretvaraju dolaznu svetlost nazad u električne signale) ansys.com. Integracijom ovih komponenti na silicijumskoj platformi, inženjeri koriste dobro razvijenu poluprovodničku proizvodnju (CMOS) za masovnu proizvodnju fotonskih uređaja, kombinujući brzinu svetlosti sa obimom moderne proizvodnje čipova ansys.com.

Kako to funkcioniše? Umesto električnih impulsa u bakarnim žicama, silicijumski fotonski sklopovi koriste infracrvenu lasersku svetlost koja prolazi kroz talasovode na mikronskoj skali. Silicijum je providan za infracrvene talasne dužine, što omogućava svetlosti da se širi uz minimalne gubitke kada je ograničena okolnim materijalima poput silicijum-dioksida, koji ima niži indeks prelamanja ansys.comansys.com. Podaci se kodiraju na ove talase svetlosti pomoću modulatora koji mogu brzo menjati intenzitet ili fazu svetlosti. Na drugom kraju, fotodetektori na čipu pretvaraju optičke signale nazad u električni oblik. Pošto svetlost osciluje na frekvencijama mnogo višim od električnih signala, optičke veze mogu prenositi neuporedivo više podataka u sekundi nego električne žice. Jedno malo vlakno ili talasovod može preneti desetine ili stotine gigabita u sekundi, a korišćenjem više talasnih dužina svetlosti (gusto talasno multipleksiranje), jedno vlakno može preneti terabite podataka. U praktičnom smislu, silicijumska fotonika omogućava komunikaciju na čipu ili između čipova brzinama poput 100 Gb/s, 400 Gb/s ili više, što bi inače zahtevalo mnogo bakarnih linija ili jednostavno bilo neizvodljivo na većim udaljenostima ansys.comoptics.org.

Silicijumski fotonski uređaji su kompaktni, brzi i energetski efikasni. Svetlost može putovati kroz talasovode sa veoma malim otporom (bez električnog kapaciteta ili problema sa zagrevanjem koji se javljaju kod bakra na velikim brzinama), što znači potencijalno manju potrošnju energije za prenos podataka. Jedna analiza navodi da optičke veze mogu drastično ublažiti uska grla u prenosu podataka i smanjiti toplotu u visokoperformansnim sistemima – „optičke veze, omogućene silicijumskom fotonikom, jedini su skalabilni put napred“ za ispunjavanje rastućih zahteva za protokom podataka laserfocusworld.com. Ukratko, silicijumska fotonika spaja jeftinu, masovno proizvedivu platformu silicijumskih čipova sa fizikom svetlosti, stvarajući „sklopove za fotone“ na čipu ansys.com. Ova tehnologija nam omogućava da bukvalno prenosimo podatke brzinom svetlosti u kontekstima gde tradicionalna elektronika dostiže svoje granice.

Ključne primene silicijumske fotonike

Silicijumska fotonika je započela u optičkim komunikacijama putem vlakana, ali danas je to višenamenska platforma koja nalazi primenu u mnogim najsavremenijim oblastima. Zbog svoje velike brzine i energetske efikasnosti, svaka oblast kojoj je potrebno da prenosi ogromne količine podataka (ili precizno kontroliše svetlost) je potencijalni kandidat. Evo nekih od ključnih primena:

Data centri i brze cloud mreže

Jedna od najvažnijih primena je unutar data centara i superračunara, gde silicijumska fotonika rešava hitnu potrebu za bržim i efikasnijim međuspojevima. Moderni cloud i hiperskalarni data centri obrađuju ogromne tokove podataka između servera, rackova i kroz mreže na nivou kampusa. Bakarni kablovi i tradicionalni električni prekidači sve više postaju usko grlo – troše previše energije i ne mogu da se skaliraju iznad određenih udaljenosti ili brzina (na primer, bakarne veze od 100 Gb/s funkcionišu samo na nekoliko metara). Silicijumski fotonski međuspojevi ovo rešavaju korišćenjem optičkih vlakana i ugrađenih optičkih motora za povezivanje servera i prekidača pri veoma velikim brzinama uz minimalne gubitke. Optički transceiveri zasnovani na silicijumskoj fotonici već zamenjuju ili dopunjuju električne veze za komunikaciju između rackova, pa čak i unutar samih rackova tanaka-preciousmetals.com.

Cisco i Intel su bili pioniri u ovoj oblasti: Cisco sada dizajnira brze priključive optičke transceivere koristeći silicijumsku fotoniku za povezivanje mrežne opreme expertmarketresearch.com. Intel je takođe iskoristio silicijumsku fotoniku za poboljšanje povezivanja u data centrima, isporučivši milione 100G optičkih transceiver čipova i sada povećava proizvodnju 200G, 400G, i uzorkuje 800G optičke module tanaka-preciousmetals.com. Motivacija je jasna – kako se brzine prenosa podataka udvostručuju sa 100G na 200G pa na 400G, domet bakra se drastično smanjuje. „Kada danas uđete u data centar, videćete 100 Gb/s bakarne kablove koji povezuju servere sa top-of-rack prekidačem… Ti kablovi su u redu za oko četiri metra. Ali sve što je van racka već koristi optiku,” napominje Robert Blum, Intelov viši direktor za fotoniku, dodajući da „kako povećavamo brzine prenosa na 200 ili 400 Gb/s, domet bakra postaje mnogo kraći i počinjemo da viđamo ovaj trend gde optika ide sve do servera.” tanaka-preciousmetals.com U klasterima za visokoperformansko računanje (HPC) i AI superračunarima, gde hiljadama procesora trebaju veze sa malim kašnjenjem, optički interkonekti obezbeđuju protok podataka dovoljan da svi ti čipovi budu snabdeveni podacima ansys.com, laserfocusworld.com. Dovođenjem fotonike na prekidač, pa čak i u pakete procesora (tzv. ko-pakovane optike), buduće mreže data centara će postići mnogo veće protoke. Zapravo, 51,2 Tb/s prekidački čipovi sa integrisanim optičkim I/O su na vidiku, a prototipi su već demonstrirani tanaka-preciousmetals.com.

Prednosti za data centre su značajne: niža potrošnja energije (optičke veze troše mnogo manje energije pretvarajući je u toplotu nego što je to slučaj sa protokom elektrona kroz bakar na desetinama GHz), veća gustina (mnogi optički kanali mogu se multipleksirati bez brige o elektromagnetnim smetnjama) i veći domet (optički signali mogu putovati kilometrima ako je potrebno). Ovo znači da silicijumska fotonika pomaže data centrima da povećaju performanse bez ograničenja koja nameću međusobne veze. Jedan tržišni analitičar je primetio da data centri usmereni na veštačku inteligenciju pokreću neviđenu potražnju za visokoperformansnim optičkim transiverima, tvrdeći da su „silicijumska fotonika i PIC-ovi na čelu ove revolucije, sa svojom sposobnošću prenosa podataka brzinama od 1,6 Tbps i više.” optics.org U praktičnom smislu, jedan fotonički čip veličine nokta može sadržati desetine laserskih kanala, koji zajedno prenose terabite podataka – što je ključno za infrastrukturu oblaka sledeće generacije.

Ubrzanje veštačke inteligencije i mašinskog učenja

Ekspanzija veštačke inteligencije i mašinskog učenja predstavlja poseban slučaj primene u data centrima – zaslužuje posebno pominjanje jer AI donosi jedinstvene zahteve i podstiče nove upotrebe silicijumske fotonike. Trening naprednih AI modela (kao što su veliki jezički modeli koji pokreću četbotove) uključuje masivne paralelne proračune raspoređene na mnogo GPU-ova ili specijalizovanih AI akceleratora. Ovi čipovi moraju da razmenjuju ogromne količine podataka za zadatke kao što je treniranje modela, često zasićujući konvencionalne električne veze. Silicijumska fotonika nudi dvostruku prednost za AI: međusobne veze velikog protoka podataka i čak potencijal za optičko računanje.

Na strani međusobnog povezivanja, razvijaju se optičke veze za direktno povezivanje AI akceleratorskih čipova ili memorije pomoću svetlosti (ponekad nazvano optički I/O). Zamenom tradicionalne serverske pozadinske ploče ili komunikacije između GPU-ova optičkim vlaknima, AI sistemi mogu značajno smanjiti latenciju komunikacije i potrošnju energije. Na primer, startapi kao što je Ayar Labs prave optičke I/O čiplete koji se nalaze pored procesora i prenose podatke pomoću svetlosti, eliminišući guste snopove bakarnih provodnika koji bi inače bili potrebni. U 2024. godini, Ayar Labs je demonstrirao optički čiplet koji isporučuje 8 Tbps propusnog opsega koristeći 16 talasnih dužina svetlosti – što je pokazatelj kako bi mogli izgledati međusobni AI povezivači sledeće generacije businesswire.com. Glavni proizvođači čipova obraćaju pažnju: Nvidia, AMD i Intel su svi investirali u Ayar Labs kao deo runde finansiranja od 155 miliona dolara, kladeći se da će optički međusobni povezivači biti ključ za skaliranje budućeg AI hardvera nextplatform.com. Kako je jedan novinar našalio, ako ne možete dobiti dovoljno brzine samo ubrzavanjem čipova, “sledeća najbolja stvar u koju treba ulagati je verovatno neki oblik optičkog I/O.” nextplatform.com

Pored prenosa podataka između AI čipova, silikonska fotonika takođe omogućava optičko računanje za AI. Ovo znači izvođenje određenih proračuna (kao što su množenja matrica u neuronskim mrežama) pomoću svetlosti umesto elektriciteta, što bi potencijalno moglo zaobići neka od ograničenja brzine i energije današnjih elektronskih AI akceleratora. Kompanije kao što su Lightmatter i Lightelligence izgradile su prototipove fotonskih procesora koji koriste interferenciju svetlosti u silicijumskim talasovodima za paralelno računanje rezultata. Krajem 2024. godine, Lightmatter je prikupio izuzetnih 400 miliona dolara u Seriji D (čime je njegova vrednost dostigla 4,4 milijarde dolara) kako bi unapredio svoju tehnologiju optičkog računanja nextplatform.com. Iako su još u razvoju, ovi fotonski AI akceleratori obećavaju ultra-brzo, nisko-latentno izvršavanje neuronskih mreža uz znatno manju potrošnju energije, jer fotoni generišu minimalnu toplotu u poređenju sa milijardama tranzistorskih prekidačkih događaja.

Sve u svemu, kako AI modeli rastu u veličini i složenosti (i zahtevaju klastere od desetina hiljada čipova), silicijumska fotonika se smatra „promenom paradigme“ koja može prevazići uska grla u komunikaciji u AI infrastrukturi laserfocusworld.com. Ona nudi način da se propusni opseg između procesora skalira linearno sa potražnjom, što je nešto sa čim električne veze imaju poteškoća. Posmatrači iz industrije predviđaju da će optičke tehnologije (kao što su optika upakovana sa čipom, optičke veze između čipova i možda fotonički računarski elementi) postati standard u AI sistemima u narednim godinama – ne samo nišni eksperiment. Zapravo, prema jednoj proceni, AI data centri će rasti tako brzo (50% CAGR u potrošnji energije) da bi do 2030. mogli postati neodrživi sa postojećim električnim I/O, što čini silicijumsku fotoniku „neizostavnim delom naše buduće infrastrukture“ kako bi AI ostao skalabilan laserfocusworld.com.

Telekomunikacije i umrežavanje

Silicijumska fotonika ima svoje korene u telekomunikacijama i nastavlja da revolucionizuje način na koji prenosimo podatke na velike udaljenosti. U telekomunikacionim mrežama sa optičkim vlaknima – bilo da je reč o internet okosnici, podmorskim kablovima ili metro i pristupnim mrežama – integrisana fotonika se koristi za izradu optičkih transceiver-a koji su manji, brži i jeftiniji. Tradicionalni optički komunikacioni sistemi često su se oslanjali na diskretne komponente (laseri, modulatori, detektori sastavljeni pojedinačno), ali integracija silicijumske fotonike može staviti mnoge od ovih komponenti na jedan čip, poboljšavajući pouzdanost i smanjujući troškove sklapanja tanaka-preciousmetals.com.

Danas su optički transceiverski moduli zasnovani na silicijumskoj fotonici uobičajeni u međusobnim vezama data centara i sve se više usvajaju u telekom infrastrukturi za 100G, 400G i više. Na primer, kompanije kao što su Infinera i Cisco (Acacia) razvile su koherentne optičke transceivere koristeći silicijumsku fotoniku za 400G i 800G veze u telekom mrežama. Broadband & 5G/6G bežične mreže takođe imaju koristi – optičke veze koje povezuju bazne stanice ili prenose fronthaul/backhaul podatke mogu biti efikasnije uz silicijumsku fotoniku. Intel je istakao da će silicijumska fotonika igrati ulogu u „narednim generacijama 5G implementacija koristeći manje formate i veće brzine, od 100G danas do 400G i više sutra” expertmarketresearch.com. Mogućnost integracije desetina laserskih talasnih dužina na čipu korisna je za sisteme sa gustim multipleksiranjem po talasnim dužinama (DWDM), koje telekom operateri koriste da bi smestili više kanala na svaki optički vlakno. U 2023. godini, kineska kompanija InnoLight čak je demonstrirala 1,6 Tb/s optički transceiver (koristeći više talasnih dužina i naprednu modulaciju) – što je znak da su multi-terabitne optičke veze na bliskom horizontu optics.org.

Još jedna mrežna primena je u osnovnoj ruting i switching opremi. Najsavremeniji ruteri i optičke switching platforme počinju da koriste silicijumsko-fotoničke sklopove za funkcije kao što su optičko preklapanje, rutiranje signala, pa čak i filtriranje talasnih dužina na čipu. Na primer, prototipovi velikih silicijumsko-fotoničkih switching matrica koriste silicijumske MEMS ili termo-optičke efekte za brzo preklapanje svetlosnih puteva, što potencijalno omogućava potpuno optičko preklapanje kola. Ovi sistemi bi se eventualno mogli koristiti u mrežama data centara za optičku rekonfiguraciju veza u hodu (Google je nagovestio korišćenje optičkih preklopnika u nekim od svojih AI klastera) nextplatform.com.

U telekomunikacijama su ciljevi generalno veći kapacitet i niža cena po bitu. Silikonska fotonika pomaže skaliranjem kapaciteta optičkih vlakana (100G → 400G → 800G i 1,6T po talasnoj dužini) i smanjenjem troškova proizvodnje kroz CMOS fabrike. Značajno je što je Intelova divizija za silikonsku fotoniku, pre restrukturiranja, isporučila više od 8 miliona fotoničkih transceiver čipova od 2016. do 2023. za upotrebu u data centrima i mrežama optics.org. Industrijska partnerstva takođe rastu: na primer, Intel je krajem 2023. najavio da će preneti proizvodnju svojih transceivera na Jabil (ugovorni proizvođač) radi daljeg skaliranja proizvodnje optics.org. U međuvremenu, giganti u oblasti optičkih komponenti kao što su Coherent (ranije II-VI) i tradicionalni telekom dobavljači (Nokia, Ciena, itd.) svi ulažu u silikonsku fotoniku za optičke module nove generacije optics.org. Tehnologija postaje kamen temeljac fizičke infrastrukture Interneta i brzo-evoluirajućeg ekosistema 5G/6G komunikacija.

Senzori i LiDAR

Silikonska fotonika nije samo za komunikacije – ona takođe omogućava nove vrste senzora zahvaljujući preciznoj kontroli svetlosti na čipu. Jedna uzbudljiva oblast je biohemijsko i ekološko detektovanje. Silikonski fotonički senzori mogu detektovati veoma male promene u indeksu prelamanja ili apsorpciji kada uzorak (kao što je kap krvi ili hemijska para) interaguje sa vođenim snopom svetlosti. Na primer, silikonski fotonički čip može imati mali prstenasti rezonator ili interferometar koji menja frekvenciju kada se određene molekule vežu za njega. Ovo omogućava detekciju biomarkera – proteina, DNK, gasova itd. – u stilu laboratorije na čipu, sa visokom osetljivošću i potencijalno niskom cenom. Takvi fotonički biosenzori mogu se koristiti za medicinsku dijagnostiku, ekološki monitoring ili čak za aplikacije „veštačkog nosa“ optics.orgoptics.org. Ključne su prednosti minijaturizacije i integracije: jedan silikonski fotonički senzor čip može integrisati izvore svetlosti, senzorske elemente i fotodetektore, nudeći kompaktan, robustan senzor umesto glomazne optičke laboratorijske opreme. Istraživanja u oblasti silikonske nitridne fotonike (varijanta koja bolje funkcioniše za vidljive talasne dužine) otvaraju još više mogućnosti za detekciju, jer SiN može voditi vidljivu svetlost za detekciju stvari kao što su fluorescencija ili Ramanovi signali koje čisti silikon ne može.

Još jedna oblast u ekspanziji je primena LiDAR-a (Light Detection and Ranging) za autonomna vozila, dronove i robotiku. LiDAR sistemi emituju laserske pulseve i mere reflektovanu svetlost kako bi mapirali udaljenosti – u suštini „3D laserski vid“. Tradicionalne LiDAR jedinice često se oslanjaju na mehaničko skeniranje i diskretne lasere/detektore, što ih čini skupim i donekle glomaznim. Silikonska fotonika nudi način da se LiDAR izgradi na čipu: integrisanjem elemenata za upravljanje snopom, razdjelnika, modulatora i detektora monolitno. Silikonski fotonički LiDAR može koristiti čvrsto stanje za upravljanje snopom (na primer, optičke fazne nizove) za skeniranje okoline bez pokretnih delova. Ovo drastično smanjuje veličinu i cenu LiDAR jedinica. Zapravo, Intel-ov Mobileye je najavio da koristi silikonske fotoničke integrisane kola u svojim LiDAR senzorima za autonomnu vožnju sledeće generacije oko 2025. godine tanaka-preciousmetals.com. Takva integracija može dodatno smanjiti troškove LiDAR-a i omogućiti masovnu primenu u automobilima. LiDAR zasnovan na silikonskoj fotonici takođe može postići brže skeniranje i veću rezoluciju korišćenjem više talasnih dužina ili koherentnih tehnika detekcije ugrađenih na čip. Kao dodatna prednost, ova integrisana rešenja obično troše manje energije – što je važan faktor za električna vozila.

Prema Ansys-u, „LiDAR rešenja zasnovana na silikonskoj fotonici su kompaktnija, troše manje energije i jeftinija su za proizvodnju od sistema napravljenih od diskretnih komponenti.“ ansys.com Ovo sažeto objašnjava zašto kompanije, od startapa do tehnoloških giganata, žure da razviju fotonički LiDAR. Već viđamo prototipove FMCW LiDAR-a (LiDAR sa frekventno modulisanim kontinuiranim talasom), koji zahteva sofisticirana fotonička kola poput podesivih lasera i interferometara. Silikonska fotonika je prirodna platforma za ovo, a stručnjaci predviđaju da će integrisana fotonika biti ključna za masovnu upotrebu FMCW LiDAR-a (zbog njegovog velikog dometa i otpornosti na smetnje) optics.orgoptics.org. U bliskoj budućnosti, očekujte automobile i dronove opremljene malim, čipovskim LiDAR jedinicama visokih performansi – što je direktan rezultat inovacija u silikonskoj fotonici.

Pored LiDAR-a, druge primene u senzorskoj tehnologiji uključuju žiroskope i inercione senzore (korišćenje laserskih žiroskopa na čipu za navigaciju), i spektrometre (integrisani optički spektrometri za hemijsku analizu). Zajednička nit je da silikonska fotonika donosi preciznost optičkog merenja u miniaturizovanom, lako proizvoljivom formatu. Ovo otvara nove mogućnosti u potrošačkoj elektronici (zamislite optički zdravstveni senzor u pametnom satu), industrijskom nadzoru i naučnim instrumentima.

Kvantno računarstvo i fotoničke kvantne tehnologije

U potrazi za kvantnim računarima, fotoni (čestice svetlosti) igraju jedinstvenu ulogu. Za razliku od elektrona, fotoni mogu putovati na velike udaljenosti bez interakcije sa okolinom (korisno za prenos kvantnih informacija), a određene šeme kvantnog računarstva koriste fotone kao same kubite. Silicijumska fotonika se pojavila kao vodeća platforma za istraživanje kvantnog računarstva i umrežavanja.

Nekoliko startapa i istraživačkih grupa radi na fotonickim kvantnim računarima koji koriste silicijumske fotoničke sklopove za generisanje i manipulaciju kubitima kodiranim u svetlosti. Na primer, PsiQuantum, startap sa velikim finansiranjem, sarađuje sa poluprovodničkom fabrikom na izgradnji kvantnog računara velikih razmera koristeći hiljade silicijumskih fotoničkih kanala za kubite. Ideja je da se integrišu uređaji kao što su izvori pojedinačnih fotona, delitelji snopa, fazni pomerači i detektori fotona na čipu kako bi se izvodila kvantna logika sa fotonima. Prednost silicijumske fotonike ovde je skalabilnost – zato što koristi CMOS proizvodnju, moguće je (u principu) napraviti veoma složene kvantne fotoničke sklopove sa stotinama ili hiljadama komponenti, što je mnogo teže u drugim pristupima kvantnom hardveru. Zaista, istraživači su nedavno demonstrirali silicijumske fotoničke čipove sa hiljadama komponenti koje rade zajedno za manipulaciju kvantnim svetlom nature.com.

Silicijumska fotonika takođe omogućava kvantno umrežavanje – bezbednu komunikaciju korišćenjem kvantne distribucije ključeva (QKD) i upletenih fotona – obezbeđujući platformu za kompaktne, stabilne optičke kvantne predajnike i prijemnike. Dodatno, određene tehnologije kvantnih senzora (kao što su optički kvantni žiroskopi ili LiDAR sa pojedinačnim fotonima) mogu koristiti silicijumske fotoničke čipove u svojoj osnovi.

Jedan od glavnih izazova u fotoničkom kvantnom računarstvu je generisanje pojedinačnih fotona na zahtev i njihovo usmeravanje sa malim gubicima. Zanimljivo je da ista ograničenja (i rešenja) koja važe za klasičnu silicijumsku fotoniku važe i u kvantnom domenu: silicijum ne emituje laser prirodno, pa kvantni fotonički čipovi često koriste integrisane nelinearne procese ili izvore kvantnih tačaka za kreiranje pojedinačnih fotona, ili hibridno integrišu specijalizovane materijale. Prednosti su ipak slične – visoka preciznost i minijaturizacija. Kao što izveštaj Ansys-a navodi, kvantni računari koriste fotone za proračune, a upravljanje tim fotonima pomoću integrisane fotonike donosi prednosti u brzini, tačnosti i ceni ansys.com. U praksi, silicijumska fotonika može obezbediti stabilnost i mogućnost proizvodnje potrebne za skaliranje kvantnih sistema iz laboratorijskih eksperimenata u prave mašine.

Osim u računarstvu, kvantni fotonski senzori (poput interferometara koji koriste kvantna stanja za dodatnu osetljivost) i kvantni generatori slučajnih brojeva su druge oblasti u kojima silicijumska fotonika ima uticaj. Iako je fotonsko kvantno računarstvo još uvek u razvoju i verovatno je nekoliko godina udaljeno od zrelosti, velika ulaganja u ovu oblast naglašavaju njen potencijal. Godine 2022, vodeći istraživač, prof. Džon Bauers, istakao je da silicijumska fotonika brzo napreduje sa mnogo novih primena, uključujući kvantne, na horizontu nature.com. Moguće je da će prvi kvantni računari velikih razmera zapravo biti optički, izgrađeni na silicijumskim fotonskim čipovima – fascinantan puni krug gde tehnologija prvobitno razvijena za telekomunikacije može omogućiti sledeći skok u računarstvu.

Trenutni trendovi i razvoj (2025)

Od 2025. godine, silicijumska fotonika dobija ogroman zamah. Više trendova se spojilo i poguralo ovu tehnologiju iz laboratorija i nišnih upotreba u mejnstrim tehnološke industrije:

• Usko grlo podataka i ko-pakovane optike: Nezasita potražnja za podacima (posebno od strane AI i cloud servisa) učinila je električne međuspojeve ozbiljnim uskim grlom. Došli smo do tačke gde, svaki put kada udvostručite protok međuspoja, morate prepoloviti dužinu bakarnog kabla da biste održali integritet signala nextplatform.com – što je neodrživ kompromis. Ova hitnost je bacila svetlo na pristupe kao što su ko-pakovane optike (CPO), gde se optički motori postavljaju odmah pored ASIC-ova prekidača ili procesorskih čipova kako bi se eliminisala gotovo sva električna razdaljina prenosa. U 2023. godini, više kompanija je demonstriralo ko-pakovane optike u prekidačima (npr. Broadcom-ovi prototipi prekidača od 25,6 Tb/s i 51,2 Tb/s sa integrisanim laserskim fotonskim motorima). Industrijske mape puta sugerišu da bi Ethernet prekidački čipovi od 51,2 Tb/s sa ko-pakovanim silicijumskim fotonikama trebalo da se pojave na tržištu u narednih godinu ili dve tanaka-preciousmetals.com, i da ćemo oko 2026–2027. verovatno videti prve CPU/GPU-ove koji direktno koriste optički I/O nextplatform.com. Drugim rečima, optička era međuspojeva je na pragu praktičnih sistema. Kompanije kao što su Intel, Nvidia i Cisco aktivno razvijaju CPO rešenja. Zapravo, Intel-ov Tomambe projekat i drugi su već demonstrirali fotonske motore od 1,6 Tb/s integrisane sa prekidačkim čipovima tanaka-preciousmetals.com. Opšti konsenzus: nakon godina istraživanja, ko-pakovane optike prelaze iz prototipa u proizvod, sa ciljem da smanje potrošnju energije po bitu približavanjem izvora svetlosti izvoru podataka (u jednoj proceni 30% uštede energije u odnosu na pluggable rešenja laserfocusworld.com).
• Porast investicija i aktivnosti startapa: Poslednjih nekoliko godina zabeležen je značajan priliv investicija i finansiranja u preduzeća iz oblasti silicijumske fotonike. Ovo odražava poverenje koje industrija ima u budućnost ove tehnologije. Na primer, krajem 2024. godine Ayar Labs je prikupio 155 miliona dolara u Seriji D (čime je dostigao “jednorog” status sa procenom vrednosti većom od milijardu dolara) kako bi proširio svoja optička I/O rešenja; značajno je da su u ovom krugu učestvovali i strateški investitori kao što su Nvidia, AMD i Intel lično nextplatform.com. Slično tome, startap za fotonsko računarstvo Lightmatter obezbedio je 400 miliona dolara finansiranja 2024. godine za unapređenje svoje optičke AI akceleratorske platforme nextplatform.com. Još jedan startap, Celestial AI, koji se fokusira na optičke međuspojeve za AI, ne samo da je prikupio 175 miliona dolara početkom 2024, već je i kupio portfolijo patenata iz oblasti silicijumske fotonike kompanije Rockley Photonics (nekadašnje firme fokusirane na senzorsku fotoniku) za 20 miliona dolara u oktobru 2024. godine datacenterdynamics.com. Ova akvizicija je donela Celestial AI više od 200 patenata iz oblasti silicijumske fotonike i ukazuje na određenu konsolidaciju u industriji – manji igrači sa vrednom fotonskom tehnologijom (Rockley je razvio napredne modulatore i integrisanu optiku za nosive uređaje) bivaju preuzeti od strane kompanija koje ciljaju tržišta data centara i AI-ja. Takođe smo videli da su HyperLight i Lightium, dva startapa specijalizovana za tanko-slojne litijum-niobat fotonske čipove, privukli ukupno 44 miliona dolara investicija u 2023. godini optics.org, što ukazuje na interesovanje za nove materijale radi unapređenja silicijumske fotonike (TFLN modulatori mogu da ponude veće brzine i niske gubitke). Sve u svemu, VC finansiranje i korporativna podrška za kompanije iz oblasti silicijumske fotonike su na najvišem nivou do sada, što odražava shvatanje da je optička tehnologija ključna za buduće poluprovodnike.
• Sazrevanje tehnologije i rast ekosistema: Još jedan trend je sazrevanje ekosistema silicijumske fotonike. Sve više foundry-ja i dobavljača sada učestvuje u ovoj oblasti. Ranije su samo nekoliko igrača (poput Intela ili Luxtere) imali mogućnosti od početka do kraja. Sada velike poluprovodničke foundry kompanije kao što su GlobalFoundries, TSMC, pa čak i STMicroelectronics nude proizvodne linije za silicijumsku fotoniku ili standardizovane fotoničke PDK-ove (komplete za dizajn procesa) za klijente ansys.com. Ova standardizacija znači da startup-ovi ili manje kompanije mogu da dizajniraju fotoničke kola i da ih proizvedu bez izgradnje sopstvene fabrike – slično kao što rade fabless kompanije za elektronske čipove. Postoje redovni multi-projektni wafer (MPW) šatllovi za fotoničke čipove, gde više dizajna deli jednu proizvodnju na wafer-u, što drastično smanjuje troškove prototipizacije. Industrijske grupe rade na standardizovanim rešenjima za pakovanje (optički I/O interfejsi, metode za pričvršćivanje vlakana) kako bi se fotonički čipovi lakše integrisali u proizvode. Osnivanje Američkog instituta za proizvodnju integrisane fotonike (AIM Photonics) bio je veliki podsticaj: ovaj javno-privatni konzorcijum uspostavio je foundry i liniju za pakovanje silicijumske fotonike u Njujorku i nedavno je dobio program od 321 miliona dolara na 7 godina (do 2028) za unapređenje proizvodnje integrisane fotonike u SAD nsf.gov. Slično, u Evropi, istraživački instituti kao što su IMEC u Belgiji i CEA-Leti u Francuskoj nude platforme za silicijumsku fotoniku i podstakli su klaster startapova iz oblasti fotonike. U Kini, silicijumska fotonika takođe dobija na značaju, a kompanije poput InnoLight i Huawei ulažu u domaće kapacitete za fotoničke čipove optics.orgoptics.org. Svi ovi razvojni pravci ukazuju na to da silicijumska fotonika više nije eksperimentalna tehnologija – ona postaje standardni deo alata poluprovodničke industrije.
• Veće brzine i novi materijali: Tehnološki gledano, svedoci smo brzog napretka u poboljšanju performansi silicijumskih fotonskih uređaja. Optički transiveri od 800G su sada u fazi uzorkovanja, moduli od 1,6 Tb/s su demonstrirani optics.org, a očekuje se da će pluggable moduli od 3,2 Tb/s biti dostupni do 2026. godine optics.org. Da bi se postigle ove brzine, inženjeri koriste sve, od 16-kanalnog talasnog multipleksiranja do naprednih formata modulacije – praktično koristeći optičku oblast za pakovanje više bitova. Na nivou uređaja, novi materijali se integrišu u silicijumsku fotoniku kako bi se prevazišla ograničenja silicijuma. Glavni primer je tanki film litijum niobata (TFLN) na silicijumu, koji omogućava veoma brze modulatore sa Pockels-efektom i niskim gubicima. Ovo bi moglo omogućiti modulatore koji podržavaju propusne opsege modulacije od 100+ GHz, pogodne za buduće 1.6T i 3.2T veze ili čak za kvantne primene optics.org. Startapi poput HyperLight-a komercijalizuju ove hibridne LiNbO3/Si čipove. Drugi materijali u fazi istraživanja i razvoja uključuju barijum titanat (BTO) elektro-optičke modulatore i materijale dopirane retkim zemljama za laserske/pojačavačke izvore na čipu optics.org. Takođe se nastavlja rad na integraciji III-V poluprovodnika (InP, GaAs) na silicijum radi boljih lasera i optičkih pojačavača – na primer, kvantno-tačkasti laseri direktno uzgajani na silicijumu postigli su veliki napredak, rešavajući probleme pouzdanosti koji su mučili ranije pokušaje nature.comnature.com. Ukratko, paleta materijala za silicijumsku fotoniku se širi, što će doneti bolje performanse i nove funkcionalnosti. Čak viđamo i silicijum-fotonske mikrokombove (izvori optičkih frekventnih češljeva) koji se koriste za primene poput ultrabrzog prenosa podataka i precizne spektroskopije, što bi pre deset godina zvučalo neverovatno.
• Nova primena i proizvodi: Pored osnovnih aplikacija, pojavljuju se i novi slučajevi upotrebe u 2025. Jedan od njih je optičko računarstvo za veštačku inteligenciju (o čemu je ranije bilo reči), koje prelazi iz istraživačkih demonstracija u rane proizvode – na primer, Lightelligence je predstavio fotonski hardver za ubrzavanje AI inferencije. Drugi primer su optičke veze između čipova u naprednom pakovanju: kako kompanije istražuju multichip module i čiplete, optičke veze mogu povezivati ove čiplete velikom brzinom preko paketa ili interpozera. Standardi poput UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) čak razmatraju i optičke PHY ekstenzije. Primećuje se i interesovanje vlade: DARPA i druge agencije imaju programe za korišćenje fotonskih međuspojeva u odbrambenim sistemima (za naprednu obradu i rutiranje RF signala). U potrošačkom segmentu, postoji nagađanje da bi za nekoliko godina optički I/O mogao da se pojavi u potrošačkim uređajima – na primer, AR/VR headset sa silicijum-fotonskim čipom za veze senzora velikog protoka, ili optički Thunderbolt kabl za AR naočare. Iako još nisu prisutni, ove ideje su na crtaćoj tabli.

Ukratko, 2025. godina zatiče silicijumsku fotoniku na prekretnici: značajni komercijalni proizvodi se pojavljuju (posebno u umrežavanju), ogromna ulaganja pristižu, a ekosistem sazreva. Sve je jasnije da će optika imati temeljnu ulogu u računarstvu i povezivanju u budućnosti. Kako je jedan industrijski komentator rekao, u drugoj polovini ove decenije mnogi očekuju da će optički I/O preći iz pilot linija u masovnu proizvodnju – „generacija računarskih motora iz 2025. možda neće imati silicijumsku fotoniku, ali generacija iz 2026. bi mogla, a generacija iz 2027. gotovo sigurno hoće“, jer na kraju nemamo izbora – „vreme bakra je isteklo.” nextplatform.com

Izazovi i ograničenja

Uprkos svom uzbuđenju, silicijumska fotonika se suočava sa brojnim izazovima i ograničenjima koje istraživači i inženjeri aktivno pokušavaju da prevaziđu. To je transformativna tehnologija, ali nije čarobno rešenje – bar ne još. Evo glavnih prepreka:

• Integracija izvora svetlosti: Možda najpoznatije ograničenje je to što silicijum nije dobar u generisanju svetlosti. Silicijum ima indirektni zabranjeni pojas, što znači da ne može da funkcioniše kao laser ili efikasan LED. Kako to fotonički pionir Džon Bauers grubo kaže, „Silicijum je neverovatno loš kao emiter svetlosti.” nature.com Njegova interna efikasnost je skoro nula – otprilike jedan od milion elektrona u silicijumu proizvede foton – dok III-V poluprovodnici poput indijum-fosfida ili galijum-arsenida mogu emitovati svetlost sa skoro 100% efikasnošću nature.com. Ovo znači da, da biste imali lasere na silicijumskoj fotoničkoj čipu, obično morate uvesti druge materijale. To se može uraditi putem hibridne integracije (spajanje dela InP ploče sa laserskim diodama na silicijumsku ploču) ili novijim tehnikama kao što je direktno uzgajanje nanostrukturisanih III-V lasera na silicijumu. Napredak u ovoj oblasti je obećavajući: kompanije i laboratorije (Intel, UCSB, itd.) su demonstrirale hibridno integrisane lasere u velikim razmerama, a nedavno čak i kvantno-tačkaste lasere uzgajane na 300 mm silicijumskim pločama sa dobrom pouzdanošću nature.comnature.com. Ipak, integracija lasera dodaje složenost i trošak. Ako je laser van čipa (u posebnom laserskom modulu povezanom putem vlakna), tada se suočavate sa izazovom efikasnog spajanja te svetlosti u male talasovode na čipu. Ukratko, uvođenje svetlosti na čip nije trivijalan zadatak. Industrija istražuje rešenja kao što su heterogena integracija (više materijala na jednom čipu) i čak nove pristupe poput električno pumpanih germanijum-silicijum lasera ili Ramanovih lasera na silicijumu, ali ovo su još uvek nove tehnologije. Od 2025. godine, većina silicijumskih fotoničkih sistema koristi ili hibridne lasere ili eksterne lasere koji se spajaju. Ovo je jedno od ključnih područja aktuelnih istraživanja.
• Proizvodnja i prinos: Silikonski fotonski sklopovi mogu se proizvoditi u postojećim fabrikama, ali imaju drugačije zahteve od elektronskih čipova. Na primer, optika zahteva veoma preciznu kontrolu dimenzija – varijacije od samo nekoliko nanometara u širini talasovoda ili razmaku mogu promeniti talasnu dužinu rezonatora ili fazu svetlosti. Postizanje visokog prinosa (tj. doslednih performansi na mnogo čipova) je izazovno. Pored toga, integracija više tipova materijala (silikon, silicijum nitrid, III-V materijali, metali) u jednom proizvodnom procesu može uneti dodatnu složenost. Spajanje vlakana sa čipom je takođe izazov u pogledu prinosa i proizvodnje; poravnavanje sićušnih optičkih vlakana sa talasovodima na mikronskoj skali trenutno često zahteva skupo aktivno poravnavanje. Neki od ovih koraka su i dalje polu-ručni u proizvodnji, što nije pogodno za masovnu proizvodnju. Mnogo se radi na unapređenju tehnika pakovanja, kao što je korišćenje standardizovanih jedinica za pričvršćivanje vlakana ili ugradnja rešetkastih spojnica koje omogućavaju lakše spajanje vlakana sa svetlom iznad čipa. Pakovanje kombinovanih elektronskih + fotonskih čipova je takođe zahtevno – na primer, ako imate fotonski čip i elektronski ASIC u istom pakovanju, potrebno je da ih poravnate i takođe upravljate toplotom (jer zagrevanje elektronike može poremetiti fotoniku). Ansys napominje da, ako elektronika i fotonika dele čip, pristup proizvodnji mora izbalansirati potrebe oba, a ako su na odvojenim čipovima, potrebno je napredno pakovanje – „generisanje toplote u elektronici može uticati na fotoniku.” ansys.com Termalno podešavanje je još jedan problem: mnogi silikonski fotonski filteri i modulatori oslanjaju se na termalne efekte, pa promene temperature mogu da poremete podešavanje kola, što zahteva dodatnu energiju za stabilizaciju. Sve ovo komplikuje proizvodnju i povećava troškove.
• Troškovi i obim: Kada govorimo o troškovima – iako silicijumska fotonika obećava nisku cenu zahvaljujući korišćenju visokoseriijskih silicijumskih fabrika, trenutna realnost je da su ovi uređaji i dalje relativno nišni i skupi. Industrija isporučuje milione jedinica (kao transceivere u data centrima), ali da bi se troškovi zaista smanjili, verovatno je potrebno isporučivati milijarde jedinica godišnje ansys.com. Drugim rečima, još uvek nije dostignut nivo masovne elektronike. Uređaji često zahtevaju i specijalizovano pakovanje (kao što je pomenuto) i testiranje, što dodatno povećava cenu. Trenutni silicijumski fotonički transceiver za data centre može koštati stotine ili hiljade dolara, što je prihvatljivo za to tržište, ali previše za potrošačka tržišta. Ekonomija je pomalo neizvesna na veoma velikom obimu – kako je jedan izveštaj istakao, veliki cloud kupci brinu o pouzdanosti i strukturi troškova ako bi široko usvojili silicijumsku fotoniku, jer tehnologija još nije dostigla proizvodnu krivu učenja kao glavni silicijum nextplatform.com. Ipak, troškovi se postepeno poboljšavaju, a napori poput standardizovanih PDK-ova u fabrikama i automatizacije pomažu. U narednih nekoliko godina, kako se obim poveća (zahvaljujući AI i data centrima), trebalo bi da vidimo pad troškova, što će otvoriti još više tržišta (to je vrlinski ciklus kada jednom krene). Ipak, u 2025. godini cena po uređaju može biti ograničavajući faktor za usvajanje silicijumske fotonike u aplikacijama osetljivim na cenu.
• Potrošnja energije i efikasnost: Iako silicijumska fotonika može smanjiti potrošnju energije za prenos podataka pri veoma velikim brzinama, sami uređaji i dalje troše energiju – npr. modulatori često koriste termalno podešavanje ili PN spojeve koji vuku struju, a laseri naravno troše energiju. Postoji dodatni trošak za konverziju elektronskih signala u optičke i nazad. Da bi se zaista uštedela energija na nivou sistema, ti dodatni troškovi moraju biti manji od uštede dobijene izbacivanjem dugih električnih veza. Današnji silicijumski fotonički transceiveri su prilično energetski efikasni (reda veličine nekoliko pikodžula po bitu za optičku konverziju), ali postoji težnja da se to još više smanji, posebno ako se optički I/O koristi na čipu ili u memorijskim magistralama gde efikasnost mora biti veoma visoka. Jedan obećavajući pristup je korišćenje elektro-optičkih materijala (kao što su LiNbO3 ili BTO) koji mogu modulirati svetlost pri veoma niskom naponu (i time nižoj potrošnji energije) umesto termalnog podešavanja. Takođe, integracija izvora svetlosti koji su efikasniji (kao što su kvantno-tačkasti laseri) može smanjiti rasipanje energije lasera (sadašnji distributed feedback laseri često rasipaju mnogo energije kao toplotu). Dakle, iako silicijumska fotonika rešava problem potrošnje energije za međusobne veze na makro nivou, na mikro nivou inženjeri i dalje optimizuju potrošnju energije uređaj po uređaj. Dobra vest: čak i sa trenutnom tehnologijom, optika u zajedničkom pakovanju može smanjiti ukupnu potrošnju energije za međusobne veze za ~30% u odnosu na tradicionalne priključne module laserfocusworld.com, a buduća poboljšanja će verovatno još povećati ove dobitke.
• Dizajn i alati za dizajn: Ovo je manje očigledan izazov, ali važan: dizajniranje fotonskih kola je nova veština, a EDA (automatizacija elektronskog dizajna) alati za fotoniku nisu toliko razvijeni kao oni za elektroniku. Simulacija optičkih kola, posebno velikih sa mnogo komponenti, može biti složena. Varijabilnost u izradi mora se uzeti u obzir pri dizajnu (možda će biti potrebni termalni tjuneri za ispravljanje malih grešaka). Potrebni su bolji alati za dizajn koji mogu ko-optimizovati elektronske i fotonske delove kola, što se često naziva EPDA (automatizacija dizajna elektronsko-fotonskih kola). Ekosistem sustiže – kompanije kao što su Synopsys, Cadence i Lumerical (Ansys) imaju alate za fotonski dizajn – ali to je još uvek oblast u razvoju. Povezano pitanje je nedostatak standarda u nekim oblastima: iako mnoge foundry firme nude PDK-ove, svaka može imati različite biblioteke komponenti i parametre. Ovo može učiniti dizajne manje prenosivim nego elektronske dizajne. Industrija se kreće ka zajedničkim standardima (na primer, format za razmenu rasporeda za fotonska kola, ili standardizovani modeli komponenti), ali je potrebno još rada da bi se pojednostavio tok dizajna. Izgradnja snažnog kadrovskog potencijala je takođe ključna: potrebni su inženjeri koji razumeju i RF/mikrotalasni analogni stil dizajna i optičku fiziku, a njih je malo (iako sada mnogi univerziteti obrazuju diplomce u ovoj interdisciplinarnoj oblasti).
• Ograničenja performansi: Iako silicijumska fotonika dramatično poboljšava određene parametre, ima svoja fizička ograničenja. Optički gubici u talasovodima, iako niski (~dB/cm opseg), akumuliraju se u velikim kolima, a oštri zaokreti ili male karakteristike mogu povećati gubitke. Takođe treba minimizirati gubitak pri spajanju vlakna i čipa. Termalna osetljivost silicijuma (indeks prelamanja se menja sa temperaturom) znači da mnoga silicijumska fotonska kola zahtevaju stabilizaciju ili kalibraciju. Ograničenja propusnog opsega mogu se javiti kod modulatora ili detektora – na primer, silicijumski prstenasti modulatori imaju ograničen propusni opseg i mogu biti osetljivi na temperaturu, dok Mach-Zehnder modulatori zahtevaju pažljivo projektovanje da bi postigli veoma velike brzine bez izobličenja. Hromatska disperzija u talasovodima može ograničiti veoma široke talasne dužine (iako to obično nije problem na kratkim rastojanjima na čipu). Još jedna suptilna tačka: elektronsko-fotonska integracija često zahteva da ko-dizajnirate elektroniku (kao što su drajver pojačala, TIA za detektore) sa fotonikom. Interfejs između njih može ograničiti ukupne performanse (npr. ako modulator zahteva određeni napon, potreban je drajver koji to može brzo da isporuči). Dakle, sistemski inženjering je složen. Štaviše, nisu sve primene opravdane za fotoniku – za veoma kratke, niskobrzinske veze, električni prenos može biti jeftiniji i jednostavniji. Dakle, i samo određivanje gde primeniti silicijumsku fotoniku za maksimalnu korist je važno razmatranje.

Ukratko, iako nijedan od ovih izazova nije nepremostiv, oni zajedno znače da silicijumska fotonika još uvek ima prostora za razvoj. Mnogi od najbistrijih umova u oblasti fotonike i elektronike aktivno rade na rešavanju ovih problema: integraciji boljih lasera, unapređenju pakovanja, povećanju obima proizvodnje i proširenju dizajnerskih mogućnosti. Napredak čak i u poslednjih nekoliko godina je ohrabrujući. Kao što je prof. Bowers primetio, izazovi poput integracije III-V lasera u CMOS, poboljšanja prinosa i povezivanja sa vlaknima, kao i smanjenja troškova, svi se rešavaju uz „veoma brz napredak“ nature.com. Svaka godina donosi poboljšanja, a jaz između laboratorijskog prototipa i masovne proizvodnje postaje sve manji. Vredi se setiti da su elektronski integrisani krugovi imali decenije intenzivnog razvoja da bi dostigli današnji nivo – silicijumska fotonika je, u poređenju, još uvek u ranoj fazi svog puta, ali brzo sustiže.

Vodeće kompanije i institucije u oblasti

Silicijumska fotonika je postala globalni poduhvat, sa mnogim kompanijama (od startapa do tehnoloških giganata) i istraživačkim institucijama koje pokreću ovu oblast napred. Prema istraživanju tržišta, vodeći akteri na tržištu silicijumske fotonike (od 2025. godine) uključuju industrijske gigante kao što su Cisco, Intel i IBM, zajedno sa specijalistima kao što su NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics i STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Evo pregleda nekih ključnih učesnika:

• Intel Corporation (SAD): Pionir u oblasti silicijumske fotonike, Intel je rano i značajno investirao u ovu tehnologiju. Predstavio je jedan od prvih 100G silicijumskih fotonskih transceivera 2016. godine i od tada isporučio milione uređaja optics.org. Intel koristi silicijumsku fotoniku u optičkim transceiverima visokih brzina i uvodi je u buduće serverske CPU-ove i edge aplikacije. Vizija kompanije je da „omogući rast propusnog opsega budućih data centara” pomoću fotonike, skalirajući sa 100G na 400G i više, i da integriše optiku sa procesorima za aplikacije kao što su 5G i autonomna vozila expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Intelova divizija za silicijumsku fotoniku nedavno je sklopila partnerstvo sa Jabil-om za proizvodnju, što ukazuje na sazrevanje ka proizvodnji velikih razmera optics.org. Intel takođe istražuje ko-pakovane optike za switch-eve i ima udeo u brojnim fotoničkim startup-ovima (kao što je Ayar Labs).
• Cisco Systems (SAD): Cisco, gigant u oblasti mreža, ušao je u silicijumsku fotoniku putem akvizicija (npr. kupovina Luxtera-e 2019. godine) i sada je vodeći dobavljač silicijumskih fotonskih optičkih transceivera za data centre i telekomunikacije. Cisco koristi svoju fotoničku tehnologiju u proizvodima od 100G/400G priključnih modula do budućih ko-pakovanih optičkih switch-eva. Cisco rešenja imaju koristi od internog dizajna fotoničkih IC-ova koji postižu visoku gustinu i energetsku efikasnost. Korišćenjem silicijumske fotonike, Cisco korisnicima obezbeđuje međusobne veze velikih brzina sa manjim form faktorima. U 2025. godini, Cisco je jedan od lidera na tržištu koji isporučuje silicijumsku fotoniku u velikim količinama expertmarketresearch.com.
• IBM Corporation (SAD): IBM ima dugu istoriju istraživanja optičkih međuveza. Njegov tim za silicijumsku fotoniku, sa više od decenije istraživanja i razvoja, razvio je optičku vezu velikih brzina namenjenu međuvezama na nivou ploče i procesora expertmarketresearch.com. IBM-ova istraživanja su dovela do napretka u silicijumskim mikroring modulatorima, multipleksiranju talasnih dužina i pakovanju. Iako IBM ne prodaje transceivere kao Intel ili Cisco, često sarađuje na prototipovima (na primer, IBM i Mellanox su 2015. prikazali optičku međuvezu za servere). IBM-ov fokus je na korišćenju fotonike za rešavanje uskih grla u računarstvu (npr. POWER10 procesor koristi fotonske veze za signalizaciju van čipa putem partnerstava). IBM takođe doprinosi standardima i otvorenim istraživanjima; njegov rad se često pojavljuje na konferencijama kao što su OFC i CLEO.
• NeoPhotonics/Lumentum (SAD): NeoPhotonics (sada deo Lumentuma od 2022) specijalizovan je za lasere i fotonske komponente za telekomunikacije i data centre. Razvili su ultra-čiste laserske izvore sa mogućnošću podešavanja talasne dužine i brze modulatore. Posebno, NeoPhotonics je predstavio koherentne optičke podsklopove na bazi silicijumske fotonike (COSA) za komunikaciju od 400G po talasnoj dužini, i istraživao je 800G i više expertmarketresearch.com. Kao deo Lumentuma (velikog igrača u optičkoj industriji), ovo znanje doprinosi razvoju sledeće generacije koherentnih transceivera i pluggable modula za telekomunikacije. Lumentumovo vlasništvo znači da se ovi proizvodi iz oblasti silicijumske fotonike mogu integrisati sa postojećim Lumentum portfoliom fotonike (npr. njihovi indijum-fosfid modulatori i pojačavači).
• Hamamatsu Photonics (Japan): Lider u optoelektronskim komponentama, Hamamatsu proizvodi širok spektar fotonskih uređaja (fotodioda, fotomultiplikatora, senzora slike, itd.). Hamamatsu je prihvatio silicijumske procese za proizvodnju, na primer, silicijumskih fotodiodnih nizova i optičkih senzora na bazi silicijuma expertmarketresearch.com. Iako nisu toliko fokusirani na brze transceivere, Hamamatsuov rad u oblasti silicijumske fotonike je ključan za senzore i naučne instrumente. Oni nude silicijumske PIN fotodiode, APD-ove i čipove optičkih senzora koji su osnova za optičke prijemnike i LiDAR detektore. Njihova stručnost u oblasti fotonike sa niskim šumom i visokom osetljivošću dopunjuje digitalnu komunikacionu stranu silicijumske fotonike.
• STMicroelectronics (Švajcarska/Evropa): STMicro je veliki proizvođač poluprovodnika koji je razvio sopstvene kapacitete za silicijumsku fotoniku. Fokus STMicro-a je na integrisanim rešenjima za slikanje i senzore – na primer, proizveli su silicijumske fotonske čipove za vlaknaste žiroskope i radili na istraživanju i razvoju optičkih međuveza u evropskim konzorcijumima. Napredne fabrike i MEMS sposobnosti STMicro-a ga dobro pozicioniraju za silicijumsku fotoniku koja zahteva integraciju sa drugim senzorima ili elektronikom expertmarketresearch.com. Zemlje poput Francuske i Italije (gde ST ima velike operacije) podržavaju fotoniku kroz inicijative, a ST je često partner u tim projektima. Takođe se pretpostavlja da isporučuju neke silicijumske fotonske komponente za industrijske i automobilske sisteme.
• GlobalFoundries (SAD) i TSMC (Tajvan): Ovi proizvođači čipova po narudžbini su razvili ponude u oblasti silicijumske fotonike. GlobalFoundries ima poznat proces silicijumske fotonike od 45 nm (GF 45CLO) i sarađivao je sa startapima poput Ayar Labs na izradi optičkih I/O čipova. TSMC je bio diskretniji, ali se navodno udružio sa velikim tehnološkim kompanijama na izradi fotonskih integrisanih čipova (na primer, neki Apple-ovi izvori sugerišu TSMC-ovo učešće u fotonskim senzorima). Obe kompanije su ključne za skaliranje proizvodnje – uključivanje velikih foundry-ja znači da svaka fabless kompanija može lakše doći do prototipova i serijske proizvodnje fotonskih čipova. Zapravo, uključivanje ovakvih foundry-ja je snažan pokazatelj da silicijumska fotonika postaje mejnstrim.
• Infinera (SAD) i Coherent/II-VI (SAD): Infinera je proizvođač telekom opreme koji je rano počeo da promoviše fotonske integrisane kola (iako na indijum-fosfidu). Od tada su se prilagodili i koriste silicijumsku fotoniku u nekim proizvodima ili za zajedničko pakovanje sa svojim InP PIC-ovima. Coherent (koji je kupio Finisar i kasnije preuzeo ime Coherent) duboko je uključen u optičke komponente; imaju svoje InP fabrike, ali takođe razvijaju silicijumsko-fotonske transceivere za data centre optics.org. Ove kompanije donose telekomunikacioni fokus na pouzdanost i performanse, podstičući silicijumsku fotoniku da ispuni zahteve operatera (npr. 400ZR moduli za koherentne veze na daljinu).
• Ayar Labs, Lightmatter i startapi: Talas inovativnih startapa pokreće silicijumsku fotoniku u nove oblasti. Već smo pomenuli Ayar Labs (optički I/O za AI/HPC) i Lightmatter (optičko računarstvo). Ostali uključuju Lightelligence (još jedan startap za AI čipove zasnovane na optici), Luminous Computing (integracija fotonike i elektronike za AI), Celestial AI (optičko umrežavanje za računarske klastere), OpenLight (zajedničko preduzeće koje nudi otvorenu fotonsku platformu sa integrisanim laserima) i Rockley Photonics (fokusiran na senzore za zdravlje, sada uglavnom u vlasništvu Celestial-a). Ovi startapi su poznati po svojim ambicioznim pristupima – npr. Lightmatter-ov 3D-integrisani fotonski tenzorski jezgro ili pokušaj kompanije Luminous da izgradi kompletan fotonski računar. Često sarađuju sa velikim kompanijama (na primer, HPE je partner sa Ayar Labs kako bi koristio optičke međuspojeve u superračunarskoj mreži nextplatform.com). Startap scena je dinamična, a njihovo prisustvo je nateralo velike igrače da ubrzaju. Jedan industrijski posmatrač je primetio da, zajedno sa Ayar-om, kompanije kao što su Lightmatter i Celestial AI „sve imaju šansu da ostvare napredak dok silicijumska fotonika povezuje računarske jedinice i međuspojeve.” nextplatform.com
• Akademske i istraživačke institucije: Na institucionalnoj strani, vodeći univerziteti i nacionalne laboratorije su ključni za napredak silicijumske fotonike. Univerzitet Kalifornije u Santa Barbari (UCSB) pod vođstvom prof. Džona Bauersa je bio pokretačka snaga, pionir u razvoju hibridnih silicijumskih lasera i kvantno-tačkastih lasera na silicijumu. MIT, Stanford, Kolumbija (sa grupom prof. Mihal Lipson) i Kalteh su druge američke žarišne tačke istraživanja silicijumske fotonike, radeći na svemu, od nove fizike modulatora do arhitektura fotonskog računarstva. U Evropi, IMEC u Belgiji vodi istaknuti program silicijumske fotonike i uslugu višestrukih projekata na pločicama (iSiPP), a Univerzitet u Sautemptonu, TU Ajndhoven, EPFL i drugi imaju snažne grupe. Institut AIM Photonics u SAD (pomenut gore) okuplja mnoge od ovih univerziteta i kompanija radi saradnje i obezbeđuje nacionalne kapacitete za proizvodnju. Državne laboratorije poput MIT Lincoln Lab i IMEC čak su demonstrirale sofisticiranu integrisanu fotoniku za odbranu (npr. optički fazni nizovi za LiDAR). Štaviše, međunarodne saradnje i konferencije (kao što su Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society sastanci) omogućavaju ovim institucijama da dele svoja otkrića. Ova oblast ima koristi od zdravog kanala između akademije i industrije: mnogi osnivači startapa i lideri industrije su obučeni u ovim istraživačkim laboratorijama, a tekuća akademska istraživanja nastavljaju da pomeraju granice (na primer, nova integracija materijala ili kvantna fotonika, kao što je pomenuto).

Svi ovi akteri – velike tehnološke kompanije, specijalizovani proizvođači komponenti, ambiciozni startapi i najsavremenije istraživačke laboratorije – čine bogat ekosistem koji zajednički pokreće silicijumsku fotoniku napred. Konkurencija i saradnja među njima ubrzavaju inovacije. Posebno, čak i geopolitika igra ulogu: postoji svest o trci između SAD, Evrope i Kine oko toga ko će predvoditi u fotonskim tehnologijama csis.org, s obzirom na njen strateški značaj za komunikacije i računarstvo. Ovo je dovelo do povećanih javnih ulaganja (npr. PhotonHub EU i kineske nacionalne inicijative za fotoniku). Za opšte tehnološke entuzijaste, zaključak je da mnogo pametnih ljudi i ozbiljnih resursa širom sveta ulaže u to da naši budući čipovi komuniciraju pomoću svetlosti.

Stručni uvidi i citati

Tokom uspona silicijumske fotonike, stručnjaci iz ove oblasti su davali perspektive koje pomažu da se kontekstualizuje njen uticaj. Evo nekoliko značajnih uvida:

• O promeni paradigme u silicijumskoj fotonici: „Često sam opisivao silicijumsku fotoniku kao više od inkrementalnog poboljšanja — to je promena paradigme,” kaže René Jonker, izvršni direktor u Soitec-u, naglašavajući da, za razliku od bakarnih međuveza koje dostižu svoje granice, optičke veze pružaju održiv način za upravljanje rastućim zahtevima za podacima. Iako i dalje postoje izazovi u smanjenju troškova i skaliranju proizvodnje, prednosti – „veći protok, smanjena latencija i niža potrošnja energije” – čine silicijumsku fotoniku „nezaobilaznim delom naše buduće infrastrukture.” laserfocusworld.com
• O potrošnji energije i optici u data centrima: Komentar u Laser Focus World iz 2025. istakao je hitnost u data centrima: do kraja decenije, data centri bi mogli trošiti 8% električne energije SAD-a ako se trendovi nastave, što je „neodrživo sa postojećim električnim međuvezama.” Autor je zaključio da su „optičke međuveze, omogućene silicijumskom fotonikom, jedini skalabilan put napred.” laserfocusworld.com Drugim rečima, da bi se izbegla energetska i propusna kriza, prelazak na optičke veze nije samo opcija – to je neophodno.
• O izazovima integracije: Profesor John Bowers (UCSB), istaknuti stručnjak u oblasti fotonike, komentarisao je najveći izazov: „Glavni izazov je integracija III–V materijala u silicijumski CMOS… Ostaju problemi visokih prinosa, visoke pouzdanosti, smanjenja troškova i povezivanja vlakana. Pakovanje elektronike i fotonike zajedno je izazov… Ali napredak je veoma brz.” nature.com Ovo naglašava da, iako je integracija lasera (III–V materijala) i postizanje savršenih prinosa teška, vodeće kompanije poput Intela ostvaruju stalan napredak i rešenja su na vidiku.
• O emisiji svetlosti u silicijumu: U istom intervjuu, Bowers je slikovito objasnio zašto su za lasere potrebni materijali osim silicijuma: „Silicijum je izuzetno loš emiter svetlosti. Njegova interna kvantna efikasnost je oko jedan deo u milion, dok je efikasnost direktnog zabranjenog opsega III–V materijala praktično 100%. Znao sam od početka da nam je potreban poluprovodnik sa direktnim zabranjenim opsegom…” nature.com. Ova iskrena procena objašnjava zašto je njegov tim rano razvio hibridne lasere (spajanje InP na Si) – pristup koji se isplatio sa Intelovim hibridnim silicijumskim laserom 2007. i kasnije.
• O dolasku optike do servera: Intelov viši direktor za fotoniku, Robert Blum, ilustrovao je kako optika polako prodire u podatkovne centre: „Kada danas uđete u podatkovni centar, videćete 100 Gb/s bakarne kablove… što je u redu za četiri metra. Ali sve što je van regala već koristi optiku. Kako prelazimo na 200 ili 400 Gb/s, [domet] bakra postaje mnogo kraći i počinjemo da viđamo ovaj trend gde optika ide sve do servera.” tanaka-preciousmetals.com Ovaj citat živo prikazuje trenutnu tranziciju – optika postepeno zamenjuje bakar od jezgra mreže ka ivicama.
• O rastu tržišta i veštačkoj inteligenciji: „Uspon veštačke inteligencije podstakao je neviđenu potražnju za visokoperformantnim transiverima… Silikonska fotonika i PIC-ovi su na čelu ove revolucije,” primećuje Sem Dejl, tehnološki analitičar iz IDTechX, ističući sposobnost silikonske fotonike da isporuči „brzine od 1,6 Tbps i više.” optics.org Njegov izveštaj predviđa da bi tržište fotoničkih integrisanih kola moglo da poraste skoro deset puta do 2035. godine (na 54 milijarde dolara), uglavnom podstaknuto potrebama AI podatkovnih centara optics.org.
• O budućnosti računarstva: Analitičari iz The Next Platform predviđaju da će optički I/O uskoro ući u HPC sisteme. Oni navode da ćemo do 2026–2027. verovatno videti glavne CPU/GPU sa optičkim interfejsima, jer „u bliskoj budućnosti nemamo izbora.” Njihovim slikovitim rečima, „Vreme bakra je isteklo.” nextplatform.com Ovo sažima uobičajeno osećanje u industriji: električne veze neće biti dovoljne za sledeću eru računarstva, i fotonika mora preuzeti primat kako bismo izbegli ograničenja.

Ovi uvidi stručnjaka naglašavaju i obećanja i prepreke silikonske fotonike. Postoji dosledna tema: silikonska fotonika je transformativna – omogućava potreban skok u performansama – ali dolazi sa ozbiljnim tehnološkim izazovima koji se brzo rešavaju. Stručnjaci ističu mešavinu optimizma (promena paradigme, neizostavna budućnost) i realizma (problemi integracije, brige oko troškova i skaliranja). Njihove perspektive pomažu široj publici da shvati zašto su mnoge kompanije i istraživači uzbuđeni zbog silikonske fotonike, ali i zašto je bilo potrebno nekoliko decenija da ova tehnologija zaživi. Čuti to iz ugla onih na prvoj liniji – bilo da je reč o iskusnom istraživaču ili menadžeru proizvoda – daje kontekst da je ovo oblast gde se fizika, inženjering i tržišne sile prepliću na fascinantne načine.

Nedavne vesti i prekretnice

Pejzaž silikonske fotonike je veoma dinamičan. Evo nekoliko nedavnih vesti i prekretnica (iz protekle godine ili dve) koje ilustruju brz napredak ove oblasti:

• Celestial AI preuzima Rockley Photonics IP (oktobar 2024): Celestial AI, startap koji razvija Photonic Fabric™ optičke međusobne veze za veštačku inteligenciju, objavio je da je preuzeo portfelj patenata iz oblasti silicijumske fotonike kompanije Rockley Photonics za 20 miliona dolara datacenterdynamics.com. Rockley je razvio napredne silicijumske fotonske senzore i preusmerio se na nosive uređaje za zdravlje pre nego što je došao do bankrota. Ovim dogovorom Celestial AI je dobio više od 200 patenata, uključujući tehnologiju za elektro-optičke modulatore i optičko preklapanje korisno u primeni u data centrima datacenterdynamics.com. Ovo je značajna konsolidacija, što pokazuje koliko je fotonska intelektualna svojina postala vredna u AI/data centar prostoru. Rockley-jeve inovacije (poput širokopojasnih lasera za detekciju) mogu dobiti novi život integracijom u Celestial-ova rešenja za optičke međusobne veze.
• Velika ulaganja u startape – Ayar Labs i Lightmatter (kraj 2024): Dva američka startapa ostvarila su velike runde finansiranja. Ayar Labs je zatvorio Seriju D od 155 miliona dolara u decembru 2024, uz učešće lidera iz industrije poluprovodnika (Nvidia, Intel, AMD su svi učestvovali zajedno sa VC fondovima) nextplatform.com. Ova runda je podigla vrednost Ayar-a iznad milijardu dolara, što ukazuje na poverenje u njihovu in-package optičku I/O tehnologiju koja ima za cilj da zameni električni I/O u budućim procesorima. Samo nekoliko nedelja ranije, Lightmatter je prikupio 400 miliona dolara u Seriji D (oktobar 2024), udvostručivši ukupno finansiranje i vrednujući kompaniju na 4,4 milijarde dolara nextplatform.com. Lightmatter razvija fotonske računarske čipove i tehnologiju optičkog interposera za ubrzanje AI. Ovakva velika ulaganja su značajna – pokazuju da investitori (i strateški partneri) veruju da ovi startapi mogu rešiti ključne probleme u AI i računarstvu pomoću optičke tehnologije. To takođe znači da možemo očekivati da ove kompanije pređu sa prototipova na proizvode; zapravo, Lightmatter već implementira test sisteme, a Ayar-ovi optički čipleti su predviđeni za pilot upotrebu u HPC sistemima.
• Intel prepušta proizvodnju transceivera kompaniji Jabil (kraj 2023): U zanimljivom preokretu, Intel je krajem 2023. odlučio da prenese svoj posao sa velikim obimom proizvodnje silikonskih fotonskih transceivera na Jabil, proizvodnog partnera optics.org. Intel je isporučio preko 8 miliona fotonskih transceiver čipova od 2016. godine optics.org – oni se koriste za 100G/200G povezivanje u data centrima. Prepuštanjem proizvodnje Jabilu (ugovornom proizvođaču), Intel je signalizirao stratešku promenu: fokusiraće se na integraciju fotonike sa svojim osnovnim platformama (kao što su ko-pakovani optički moduli i fotonika na procesoru), dok će partneru prepustiti tržište standardizovanih transceivera. Ovaj potez takođe odražava sazrevanje industrije – ono što je pre nekoliko godina bila vrhunska tehnologija (100G pluggable moduli) sada je dovoljno rutinsko da se može outsourcovati. Jabil, sa svoje strane, razvija optičku proizvodnju, što bi potencijalno moglo služiti i drugim klijentima. Saradnja između Intela i Jabilla istaknuta je kao ključni razvoj u industriji od strane analitičara optics.org, koji su to naveli kao deo evolucije ekosistema.
• InnoLight predstavlja modul od 1,6 Tb/s (kraj 2023): U trci za većim brzinama, InnoLight, kineska kompanija za optičke transceivere, objavila je da je postigla optički transceiver prototip od 1,6 terabita u sekundi optics.org. Ovo verovatno uključuje više talasnih dužina (npr. 16×100G ili 8×200G kanala) na silikonskoj fotonskoj platformi. Postizanje 1,6 Tb/s u jednom modulu godinu dana pre nekih konkurenata pokazuje rastuću snagu Kine u oblasti silikonske fotonike. InnoLight-ov modul bi mogao biti korišćen za uplinkove top-of-rack switch-eva ili za povezivanje AI sistema. Takođe je nagoveštaj da moduli od 3,2 Tb/s (koji bi, na primer, koristili 8 talasnih dužina od po 400G) nisu daleko – zapravo, IDTechX predviđa module od 3,2 Tb/s do 2026. godine optics.org. Ovo je bio rekord koji je privukao pažnju javnosti i naglašava intenzivnu globalnu konkurenciju; Coherent (SAD) i drugi takođe rade na dizajnima od 1,6T i 3,2T optics.org.
• Napredak PsiQuantum-ovog fotonskog kvantnog čipa (2024): Na kvantnom polju, PsiQuantum (koji je tajnovit, ali je poznato da sarađuje sa GlobalFoundries) objavio je studiju koja opisuje put ka fotonskom kvantnom računaru otpornom na gubitke, i najavio čip pod nazivom „Omega“ za njihovu fotonsku kvantnu arhitekturu thequantuminsider.com. Iako još nije komercijalni proizvod, ovo pokazuje da hardver za fotonsko kvantno računarstvo napreduje – sa silicijumskom fotonikom u svojoj srži. PsiQuantum-ov pristup zahteva integraciju hiljada izvora i detektora pojedinačnih fotona. Novost ovde je potvrda mogućnosti proizvodnje: rad u časopisu Nature iz 2022. godine demonstrirao je ključne komponente (izvori, filteri, detektori) na jednom silicijumskom fotonskom čipu koji bi mogao da se skalira nature.com. Ovo sugeriše da su na putu ka prekretnici oko sredine 2020-ih do ranih 2030-ih za prototip optičkog kvantnog računara sa milion kubita (njihov dugoročni cilj). Takav razvoj, iako nišan, pomno se prati jer bi mogao da redefiniše vrhunsko računanje.
• Startapi iz oblasti litijum-niobat fotonike finansirani (2023): Kao što je pomenuto, dva startapa koja se fokusiraju na integraciju LiNbO₃ sa silicijumskom fotonikom, HyperLight (SAD) i Lightium (Švajcarska), prikupila su ukupno 44 miliona dolara u 2023. godini optics.org. Vest o finansiranju je bila značajna jer ističe trend: dodavanje novih materijala silicijumskoj fotonici radi prevazilaženja ograničenja performansi. Ove kompanije ističu modulatore koji mogu da rade sa većom linearnošću i u širokom opsegu talasnih dužina (od vidljivog do srednjeg IR) uz veoma mali gubitak optics.org. Neposredna primena bi mogli biti ultrabrzi modulatori za komunikacije ili specijalizovani uređaji za kvantnu i RF fotoniku. Šira poenta je da investiciona zajednica takođe podržava inovacije u materijalima u fotonici, a ne samo očiglednije startape za transceivere. To je znak da čak i napredak u nauci o materijalima (kao što je TFLN na izolatoru) može brzo preći u startape i proizvode u ovoj oblasti.
• Ažuriranja standarda i konzorcijuma (2024–25): Došlo je do pomaka na polju standardizacije. Continuous-Wave WDM MSA (konzorcijum koji definiše standardne module izvora svetlosti za optiku u paketu) objavio je početne specifikacije za zajedničke laserske izvore koji mogu napajati više fotonskih čipova. Ovo je važno za obezbeđivanje kompatibilnosti između više proizvođača za optiku u paketu. Takođe, UCIe konzorcijum (za međusobno povezivanje čipleta) formirao je optičku radnu grupu kako bi razmotrio na koji način bi optičke veze između čipleta mogle biti standardizovane. U međuvremenu, organizacije kao što su COBO (Consortium for On-Board Optics) i CPO Alliance održavaju samite (npr. na OFC 2024) na kojima se diskutuje o najboljim praksama za optiku u paketu ansys.com. Sve ovo ukazuje na to da industrija prepoznaje potrebu da se harmonizuju interfejsi i izbegne fragmentacija koja bi mogla usporiti usvajanje. Najnovije vesti iz IEEE takođe ukazuju na napredak u standardima za 1.6T Ethernet i povezane standarde optičkih interfejsa koji podrazumevaju upotrebu silicijumskih fotonskih tehnologija.
• Izlazak proizvoda: Sa strane proizvoda, vidimo da se stvarni hardver pojavljuje:
  • 800G priključivi moduli: Više proizvođača (Intel, Marvell/Inphi, itd.) je 2024. godine počelo sa uzorkovanjem 800G QSFP-DD i OSFP modula koji koriste silicijumsku fotoniku. Očekuje se da će oni biti implementirani u mrežama i preklopnicima 2025. godine.
  • CPO demo kompleti: Kompanije kao što su Ranovus i IBM demonstrirale su razvojne komplete za optiku u paketu development kits – što je preteča komercijalnih CPO proizvoda. Na primer, IBM-ov istraživački prototip preklopnika sa optikom u paketu je prikazan u radu, a Ranovus ima CPO modul sa 8×100G talasnih dužina.
  • Silicijumski fotonski LiDAR proizvodi: Innovusion (Kina) i Voyant Photonics (SAD) su najavili napredak u svojim silicijumskim fotonskim LiDAR uređajima. Najnoviji Innovusion LiDAR za vozila koristi neke silicijumske fotonske komponente kako bi postigao FMCW po konkurentnoj ceni. Voyant, startap proistekao iz istraživanja na Univerzitetu Kolumbija, zapravo prodaje mali čvrst LiDAR modul zasnovan na silicijumskoj fotonici za upotrebu u dronovima i robotima.
  • Optički I/O čipleti: Do sredine 2025. godine, Ayar Labs planira da ima svoj TeraPHY optički I/O čiplet i SuperNova izvor lasera u ranoj fazi testiranja kod korisnika, isporučujući optičku vezu od 8 Tbps za HPC sisteme. Ako sve ostane po planu, ovo bi moglo biti jedno od prvih implementacija optičkog I/O u računarskom sistemu (verovatno u državnoj laboratoriji ili pilot superračunaru do 2025–26).

Niz najnovijih vesti prikazuje oblast koja brzo napreduje na više frontova: od proboja u brzini (1.6T optika) do velikih strateških poteza (Intel outsourcing, velika finansiranja) i prvih implementacija (optički motori za AI). Ovo je uzbudljiv period, jer ovi događaji ukazuju da silicijumska fotonika prelazi iz obećavajuće tehnologije u komercijalnu realnost sa sve većim uticajem na proizvode i industrije.

Za širu publiku, ključna poruka iz svih ovih vesti je da silicijumska fotonika nije daleko obećanje – ona se dešava sada. Kompanije ulažu novac i resurse u ovu oblast, pravi proizvodi se već isporučuju, a svako tromesečje donosi nove prekretnice koje obaraju prethodne rekorde. Ovo je oblast koja se brzo razvija, i čak bi i tehnološki upućeni čitaoci mogli biti iznenađeni koliko su brzo stigle stvari poput „optičkih čipleta“ ili „modula od 1,6 terabita“. Vesti takođe ističu da je ovo globalna trka – sa značajnim aktivnostima u SAD, Evropi i Aziji – i da obuhvata sve, od deep tech startapa do najvećih proizvođača čipova i provajdera mreža.

Pogled u budućnost i predviđanja

Gledajući unapred, budućnost silicijumske fotonike izgleda izuzetno obećavajuće, sa potencijalom da predefiniše računarstvo i komunikacije tokom naredne decenije. Evo nekoliko predviđanja i očekivanja za ono što nas čeka:

• Široka primena u računarstvu: Do kasnih 2020-ih možemo očekivati da silicijumska fotonika postane standardna karakteristika u vrhunskim računarskim sistemima. Kao što je pomenuto, do 2026–2027. godine trebalo bi da se pojave prvi CPU, GPU ili AI akceleratori sa integrisanim optičkim I/O nextplatform.com. U početku, ovo će možda biti prisutno na specijalizovanim tržištima (superračunari, sistemi za trgovanje visokih frekvencija, najnapredniji AI klasteri), ali će otvoriti put široj primeni. Kada se tehnologija dokaže i obim proizvodnje poraste, optički I/O bi mogao da se proširi i na standardnije servere i uređaje tokom 2030-ih. Zamislite serverske rack-ove gde svaki CPU ima optičke priključke direktno na pakovanju, povezane sa optičkim top-of-rack preklopnikom; ovo bi moglo postati uobičajeno. Usko grlo memorije bi takođe moglo biti rešeno optičkim vezama – na primer, optičkim povezivanjem memorijskih modula sa procesorima radi omogućavanja većeg protoka podataka na većim udaljenostima (neki istraživači govore o „optičkoj disegregaciji memorije“ za velike zajedničke memorijske resurse). Ukratko, data centar budućnosti (a samim tim i cloud servisi budućnosti) verovatno će biti izgrađeni na mreži optičkih međusobnih veza na svakom nivou, omogućeni silicijumskom fotonikom.
• Terabit mreže za sve: Kapacitet mrežnih veza će nastaviti da rapidno raste. Govorimo o 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, pa čak i 6,4 Tb/s optičkim transceiver-ima u jednom modulu do ranih 2030-ih. Ove brzine su zapanjujuće – veza od 3,2 Tb/s može preneti 4K film za delić milisekunde. Iako će se te brzine koristiti u okosnicama data centara i telekom mrežama, one indirektno koriste potrošačima (brži internet, robusnije cloud usluge). Do 2035. analitičari predviđaju da će tržište fotonskih integrisanih kola dostići više od 50 milijardi dolara, uglavnom zahvaljujući ovim transceiver-ima za AI i data centre optics.org. Možda ćemo videti da 800G i 1.6T postanu novi 100G, što znači da će biti osnovne veze u mrežama. Kako se obim poveća, cena po bitu će padati, čineći brzu konekciju jeftinijom i sveprisutnijom. Moguće je da čak i potrošački uređaji (kao što je, recimo, VR headset kojem je potrebna veoma široka propusnost ka PC-ju ili konzoli) koriste optički USB ili optički Thunderbolt kabl za prenos više desetina ili stotina gigabita bez latencije ili gubitka.
• Revolucija u telekomunikacijama: U telekomu, silicijumska fotonika će pomoći u ostvarivanju potpuno optičkih mreža sa mnogo većom efikasnošću. Koherentna optička komunikacija sa integrisanom fotonikom verovatno će se skalirati na više od 1 Tb/s po talasnoj dužini (uz napredne konstelacije i možda integrisane transceiver DSP-ove). Ovo bi moglo učiniti višeterabitne optičke kanale ekonomičnim, smanjujući broj lasera/vlakana koji su potrebni. Silicijumska fotonika će takođe učiniti reprogramabilne optičke add-drop multipleksere (ROADM) i drugu mrežnu opremu kompaktnijom i energetski efikasnijom, što olakšava uvođenje mreža većeg kapaciteta 5G/6G i bolje fiber-to-the-home infrastrukture. Jedna specifična oblast za praćenje su integrisani laseri za kablovsku TV / pristup preko optike: jeftini podesivi laseri na silicijumu mogli bi omogućiti svakom domu simetričnu optičku vezu od 100G, na primer. Integracijom optičkih funkcija, telekom operateri mogu pojednostaviti centrale i glavne čvorove. Dakle, neto efekat će biti još brži i pouzdaniji internet servisi po potencijalno nižim cenama, pokretani u pozadini silicijumskim fotonskim čipovima.
• AI računanje i optički motori: U AI domenu, ako kompanije poput Lightmatter i Lightelligence uspeju, mogli bismo svedočiti prvim optičkim koprocesorima u data centrima. Oni bi ubrzavali matrične množenja ili graf analitiku pomoću svetlosti, potencijalno nudeći ogroman skok u performansama po vatu. Moguće je da će za 5 godina neki data centri imati rack-ove sa optičkim AI akceleratorima pored GPU-ova, koji će obavljati specijalizovane zadatke izuzetno brzo (na primer, ultra-brzo inferiranje za real-time servise). Čak i ako potpuno optički računari ostanu donekle ograničeni, hibridni elektro-optički pristup (elektronika za logičku kontrolu, fotonika za masovni prenos podataka i multiply-accumulate operacije) mogao bi postati ključna strategija za održavanje skaliranja AI performansi. Smanjenjem toplote i potrošnje energije, fotonika može pomoći da AI treniranje ostane izvodljivo kako modeli rastu do triliona parametara. Ukratko, silicijumska fotonika bi mogla biti tajni sastojak koji omogućava sledeće 1000× povećanje veličine AI modela/podataka za treniranje bez preopterećenja elektroenergetske mreže.
• Uticaj na potrošačku tehnologiju: Iako se većina silicijumske fotonike trenutno koristi u velikim sistemima (data centri, mreže), vremenom će proći i do potrošačkih uređaja. Jedan očigledan kandidat su AR/VR naočare (gde je potrebno preneti ogromne količine podataka do malih ekrana i kamera – optičke veze bi mogle pomoći). Drugi su potrošački LiDAR ili senzori dubine – budući pametni telefoni ili nosivi uređaji mogli bi imati male silicijumske fotonske senzore za praćenje zdravlja (kao što je Rockley Photonics planirao) ili za 3D skeniranje okoline. Intel-ov Mobileye je već najavio da će njegov silicijumski fotonski LiDAR biti u automobilima, tako da bi do kasnih 2020-ih vaš novi automobil mogao imati integrisani fotonski čip koji tiho upravlja senzorima za autonomnu vožnju tanaka-preciousmetals.com. Vremenom, kako cene budu padale, više ovakvih senzora moglo bi se pojaviti u svakodnevnim uređajima (zamislite pametne satove koji koriste silicijumski fotonski senzor za neinvazivno praćenje glukoze ili analizu krvi putem optičke spektroskopije na vašem zglobu – kompanije zaista rade na tom konceptu). Čak i u vrhunskom audio/vizuelnom segmentu, optički čipovi bi mogli poboljšati kamere (LiDAR za fokusiranje ili 3D mapiranje u fotografiji) ili omogućiti holografske ekrane modulacijom svetlosti na mikroskopskom nivou (pomalo spekulativno, ali nije nemoguće kako prostorni modulatori svetlosti na silicijumu postaju bolji). Dakle, za desetak godina, potrošači bi mogli nesvesno koristiti silicijumsku fotoniku u svojim gedžetima, baš kao što danas svuda koristimo MEMS senzore a da o tome i ne razmišljamo.
• Fotonika u kvantnom domenu: Ako pogledamo još dalje u budućnost, kvantne fotonske tehnologije bi mogle sazreti. Ako PsiQuantum ili drugi uspeju, mogli bismo imati fotonski kvantni računar koji nadmašuje klasične superračunare za određene zadatke – sa možda milionima isprepletenih fotona koji se obrađuju na čipu. To bi bilo monumentalno dostignuće, verovatno transformativno kao i prvi elektronski računari. Iako je to možda izvan 2030. godine, napredak u međuvremenu mogao bi doneti kvantne simulatore ili umrežene kvantne komunikacione sisteme koristeći silicijumsku fotoniku. Na primer, bezbedne kvantne komunikacione veze (QKD mreže) mogle bi biti implementirane u gradskim mrežama koristeći standardizovane silicijumske fotonske QKD predajnike u data centrima. Postoji i potencijal za kvantne senzore na čipu (kao što su optički žiroskopi sa kvantnom osetljivošću) koji bi mogli naći primenu u navigaciji ili nauci.
• Nastavak istraživanja i novi horizonti: Samo polje silicijumske fotonike će nastaviti da se razvija. Istraživači već istražuju 3D integraciju – slaganje fotonskih čipova sa elektronskim za još čvršće povezivanje (neki istražuju mikro-bampove ili tehnike povezivanja kako bi postavili fotonski interposer ispod CPU-a, na primer). Takođe se govori o optičkom umrežavanju na čipu (ONoC), gde procesori koriste svetlost za komunikaciju između jezgara umesto ili pored električnih mreža na čipu. Ako jednog dana višejezgarni CPU-ovi koriste interne optičke mreže, to bi moglo ukloniti uska grla u propusnosti unutar čipa (ovo je još daleko, ali je konceptualno dokazano u laboratorijama). Nano-fotonika bi takođe mogla imati ulogu: plazmonske ili nanoskalne optičke komponente koje rade pri veoma velikim brzinama ili na izuzetno malim površinama, potencijalno integrisane sa silicijumskom fotonikom za određene zadatke (kao što su ultra-kompaktni modulatori). I ko zna, možda će jednog dana neko postići sveti gral silicijumskog lasera pomoću nekog pametnog materijalskog trika – što bi zaista pojednostavilo fotonsku integraciju.
• Pregled tržišta i industrije: Ekonomski gledano, verovatno ćemo videti procvat tržišta silicijumske fotonike. Prema IDTechX-u, do 2035. godine očekuje se da će tržišna vrednost iznositi oko 54 milijarde dolara optics.org. Važno je napomenuti da će podatkovne komunikacije činiti najveći deo, ali se procenjuje da bi oko 11 milijardi dolara moglo doći iz ne-podatkovnih primena (telekomunikacije, lidar, senzori, kvantna tehnologija itd.) optics.org. To znači da će koristi ove tehnologije biti raspoređene kroz mnoge sektore. Takođe bismo mogli videti velike promene ili partnerstva u industriji: na primer, da li bi neki tehnološki gigant mogao da kupi jedan od startapova iz oblasti fotonike (zamislite da Nvidia kupi Ayar Labs ili Lightmatter kako bi obezbedila prednost u optičkom računarstvu)? To je moguće kako ulozi rastu. Štaviše, međunarodna konkurencija bi mogla da se pojača – mogli bismo videti značajna ulaganja vlada kako bi obezbedile lidersku poziciju (slično kao što se industrija poluprovodnika smatra strateškom). Silicijumska fotonika bi mogla postati ključni deo nacionalnih tehnoloških strategija, što može dodatno podstaći finansiranje istraživanja i razvoja i infrastrukture.

Šire gledano, ako se osvrnemo, budućnost sa silicijumskom fotonikom je ona u kojoj se granice između računarstva i komunikacija brišu. Udaljenost postaje manje ograničavajuća – podaci bi mogli putovati unutar čipa ili između gradova jednako lako optičkim vlaknima. Ovo bi moglo omogućiti arhitekture poput distribuiranog računarstva gde fizička lokacija resursa nije bitna jer optičke veze omogućavaju nisku latenciju i veliki protok podataka. Mogli bismo videti zaista razdvojene podatkovne centre gde su računanje, skladištenje i memorija optički povezani kao LEGO kocke. Dobici u energetskoj efikasnosti zahvaljujući fotonici mogli bi doprineti zelenijem IKT sektoru, što je važno kako raste energetska potrošnja digitalne infrastrukture.

Pozajmljujući reči jednog veterana industrije, „put do skaliranja silicijumske fotonike je uzbudljiv koliko i izazovan.” laserfocusworld.com Naredne godine će nesumnjivo doneti prepreke, ali postoji kolektivna odlučnost u akademskoj zajednici i industriji da ih prevaziđu. Kroz saradnju i inovacije – usklađujući nauku o materijalima, inženjering poluprovodnika i fotoniku – stručnjaci su uvereni da ćemo savladati te izazove i otključati puni potencijal silicijumske fotonike laserfocusworld.com. Buduća perspektiva je da će ova tehnologija preći sa margine (povezujući naše uređaje ili unapređujući specijalizovane sisteme) u sam centar računarstva i povezivanja. Praktično svedočimo zori nove ere – one u kojoj svetlost, a ne samo elektroni, nosi krvotok informacija kroz uređaje i mreže koji čine osnovu modernog života. A to je zaista revolucionarna promena koja će se odvijati u narednoj deceniji i kasnije.

Izvori: Definicije i prednosti silicijumske fotonike ansys.comansys.com; primene u senzorskoj tehnologiji, LiDAR-u, kvantnoj tehnologiji ansys.comansys.com; trendovi u data centrima i veštačkoj inteligenciji laserfocusworld.com, optics.org; izjave stručnjaka i uvidi laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; lideri u industriji expertmarketresearch.com; najnovije vesti i investicije datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; projekcije za budućnost optics.org