Революція кремнієвої фотоніки – технологія світлової швидкості, що змінює ШІ, дата-центри та інше

Силіконова фотоніка використовує кремнієві фотонні інтегральні схеми (PIC) для керування світлом з метою обробки даних і комунікації, забезпечуючи з’єднання на кристалі та між кристалами на швидкостях, таких як 100 Гбіт/с і 400 Гбіт/с.
Кремнієвий фотонний чип розміром з ніготь може містити десятки лазерних каналів і, завдяки щільному мультиплексуванню за довжиною хвилі, передавати терабіти даних.
З’єднання в дата-центрах виграють від оптичних ліній, які споживають менше енергії та забезпечують вищу щільність, при цьому вже продемонстровано прототипи комутаційних чипів на 51,2 Тбіт/с з інтегрованим оптичним введенням/виведенням.
У 2024 році компанія Ayar Labs продемонструвала оптичний чиплет, що забезпечує пропускну здатність 8 Тбіт/с, використовуючи 16 довжин хвиль, а на пізньому етапі раунду D у 2024 році залучила $155 мільйонів за участі Nvidia, AMD та Intel, піднявши свою оцінку понад $1 мільярд.
Intel передала виробництво своїх кремнієвих фотонних трансиверів компанії Jabil наприкінці 2023 року після того, як з 2016 року відвантажила понад 8 мільйонів фотонних трансиверних чипів.
InnoLight продемонструвала прототип оптичного трансивера на 1,6 Тбіт/с наприкінці 2023 року, а модулі на 3,2 Тбіт/с очікуються до 2026 року, оскільки наближаються багатотерабітні лінії.
Американський інститут AIM Photonics отримав семирічну програму на $321 мільйон до 2028 року для розвитку виробництва інтегрованої фотоніки у США, що дозволяє створити кремнієву фотонну фабрику та лінію пакування у Нью-Йорку.
У 2023 році Broadcom продемонструвала прототипи комутаторів з оптикою, розміщеною разом з чипом, на 25,6 Тбіт/с і 51,2 Тбіт/с з інтегрованими лазерними фотонними двигунами.
Lightmatter залучила $400 мільйонів у раунді D у 2024 році для фінансування своєї платформи оптичних AI-акселераторів, а PsiQuantum публічно окреслила шлях до фотонного квантового комп’ютера, стійкого до втрат, зі своїм чипом Omega у 2024 році.
Аналітики прогнозують, що ринок кремнієвої фотоніки досягне близько $54 мільярдів до 2035 року, з яких приблизно $11 мільярдів припадатиме на не-датові застосування, головним чином завдяки потребам AI-дата-центрів.

Що таке кремнієва фотоніка і як вона працює?

Кремнієва фотоніка — це технологія, яка використовує кремнієві фотонні інтегральні схеми (PIC) для керування світлом (фотонами) з метою обробки та передачі даних. Простими словами, це означає створення оптичних пристроїв (таких як лазери, модулятори та детектори) на кремнієвих чипах подібно до того, як виготовляють електронні схеми. Ці кремнієві фотонні чипи можуть передавати й приймати дані за допомогою світла, забезпечуючи надшвидку передачу даних з великою пропускною здатністю та низькими втратами енергії ansys.com. Ключові компоненти включають хвилеводи (маленькі оптичні «дроти», які проводять світло по чипу), модулятори (які кодують дані на світлових променях), лазери (зазвичай додаються з інших матеріалів, оскільки сам кремній не може випромінювати світло) і фотодетектори (для перетворення вхідного світла назад у електричні сигнали) ansys.com. Інтегруючи ці елементи на кремнієвій платформі, інженери використовують добре налагоджене виробництво напівпровідників (CMOS) для масового виготовлення фотонних пристроїв, поєднуючи швидкість світла з масштабами сучасного виробництва чипів ansys.com.

Як це працює? Замість електричних імпульсів у мідних дротах, кремнієві фотонні схеми використовують інфрачервоне лазерне світло, що проходить через хвилеводи мікронного масштабу. Кремній прозорий для інфрачервоних довжин хвиль, що дозволяє світлу поширюватися з мінімальними втратами, коли воно обмежене оточуючими матеріалами, такими як діоксид кремнію, які мають нижчий показник заломлення ansys.com ansys.com. Дані кодуються на цих світлових хвилях за допомогою модуляторів, які можуть швидко змінювати інтенсивність або фазу світла. На іншому кінці фотодетектори на чипі перетворюють оптичні сигнали назад в електричну форму. Оскільки світло коливається на частотах, значно вищих за електричні сигнали, оптичні інтерконекти можуть передавати набагато більше даних за секунду, ніж електричні дроти. Одна крихітна волокнина або хвилевід може передавати десятки або сотні гігабіт за секунду, а використовуючи кілька довжин хвиль світла (щільне мультиплексування за довжиною хвилі), одне волокно може переносити терабіти даних. На практиці кремнієва фотоніка забезпечує зв’язок на чипі або між чипами на швидкостях, таких як 100 Гбіт/с, 400 Гбіт/с або більше, що інакше вимагало б багатьох мідних ліній або просто було б неможливим на більші відстані ansys.com optics.org.

Кремнієві фотонні пристрої компактні, швидкі та енергоефективні. Світло може проходити через хвилеводи з дуже низьким опором (без електричної ємності чи проблем нагріву, які виникають у міді на високих швидкостях), що означає потенційно менше енергоспоживання для передачі даних. Один з аналізів зазначає, що оптичні інтерконекти можуть суттєво зменшити вузькі місця передачі даних і знизити нагрів у високопродуктивних системах – «оптичні інтерконекти, забезпечені кремнієвою фотонікою, є єдиним масштабованим шляхом вперед» для задоволення вибухового зростання потреб у пропускній здатності laserfocusworld.com. Коротко кажучи, кремнієва фотоніка поєднує недорогу, масово вироблювану платформу кремнієвих чипів із фізикою світла, створюючи «схеми для фотонів» на чипі ansys.com. Ця технологія дозволяє нам буквально передавати дані зі швидкістю світла у сферах, де традиційна електроніка досягає своїх меж.

Ключові застосування кремнієвої фотоніки

Кремнієва фотоніка починалася у волоконно-оптичних комунікаціях, але сьогодні це універсальна платформа, яка знаходить застосування в багатьох передових галузях. Завдяки своїй високій швидкості та енергоефективності, будь-яка сфера, якій потрібно передавати величезні обсяги даних (або точно керувати світлом), є потенційним кандидатом. Ось деякі з ключових застосувань:

Центри обробки даних та високошвидкісні хмарні мережі

Одне з найважливіших застосувань — це центри обробки даних і суперкомп’ютери, де кремнієва фотоніка вирішує нагальну потребу у швидших та ефективніших з’єднаннях. Сучасні хмарні та гіпермасштабовані центри обробки даних обробляють величезні потоки даних між серверами, стійками та через мережі кампусів. Мідні кабелі та традиційні електричні комутатори дедалі більше стають вузьким місцем — вони споживають надто багато енергії та не можуть масштабуватися на певні відстані чи швидкості (наприклад, мідні з’єднання 100 Гбіт/с працюють лише на кілька метрів). Кремнієві фотонні з’єднання вирішують цю проблему, використовуючи оптичні волокна та вбудовані оптичні модулі для з’єднання серверів і комутаторів на дуже високих швидкостях із мінімальними втратами. Оптичні трансивери на основі кремнієвої фотоніки вже замінюють або доповнюють електричні з’єднання для зв’язку між стійками та навіть у межах однієї стійки tanaka-preciousmetals.com.

Cisco та Intel були піонерами в цій сфері: Cisco зараз розробляє високошвидкісні знімні оптичні трансивери, використовуючи кремнієву фотоніку для з’єднання мережевого обладнання expertmarketresearch.com. Intel також використала кремнієву фотоніку для підвищення підключення в дата-центрах, відвантаживши мільйони 100G оптичних чипів-трансиверів і зараз нарощуючи виробництво 200G, 400G та зразків 800G оптичних модулів tanaka-preciousmetals.com. Мотивація очевидна – коли швидкість передачі даних подвоюється з 100G до 200G і 400G, дальність дії міді різко зменшується. «Коли ви заходите в сучасний дата-центр, ви побачите 100 Гбіт/с мідні кабелі, які з’єднують сервери з комутатором у верхній частині стійки… Ці кабелі підходять для чотирьох метрів або близько того. Але все, що за межами стійки, вже використовує оптику», зазначає Роберт Блум, старший директор з фотоніки в Intel, додаючи, що «коли ми підвищуємо швидкість передачі даних до 200 або 400 Гбіт/с, дальність дії міді стає набагато коротшою, і ми починаємо бачити тенденцію, коли оптика доходить аж до сервера». tanaka-preciousmetals.com У високопродуктивних обчислювальних (HPC) кластерах і AI-суперкомп’ютерах, де тисячам процесорів потрібні низьколатентні з’єднання, оптичні інтерконекти забезпечують пропускну здатність, щоб усі ці чипи отримували дані ansys.com, laserfocusworld.com. Завдяки впровадженню фотоніки на комутатор і навіть у корпуси процесорів (так звана спільно упакована оптика), майбутні мережі дата-центрів досягнуть значно вищої пропускної здатності. Насправді, комутаційні чипи на 51,2 Тбіт/с з інтегрованим оптичним введенням/виведенням вже на горизонті, і прототипи вже продемонстровані tanaka-preciousmetals.com.

Переваги для дата-центрів є значними: нижче енергоспоживання (оптичні лінії витрачають набагато менше енергії у вигляді тепла, ніж передача електронів через мідь на десятках ГГц), вища щільність (багато оптичних каналів можна мультиплексувати без турбот про електромагнітні перешкоди) та більша дальність (оптичні сигнали можуть долати кілометри за потреби). Це означає, що кремнієва фотоніка допомагає дата-центрам масштабувати продуктивність без обмежень, пов’язаних із пропускною здатністю з’єднань. Один з аналітиків ринку зазначив, що дата-центри, орієнтовані на ШІ, стимулюють безпрецедентний попит на високопродуктивні оптичні трансивери, стверджуючи, що «кремнієва фотоніка та PIC знаходяться на передньому краї цієї революції, завдяки здатності передавати дані на швидкостях 1,6 Тбіт/с і більше». optics.org На практиці один фотонний чип розміром з ніготь може містити десятки лазерних каналів, які разом передають терабіти даних – це критично важливо для інфраструктури хмар наступного покоління.

Прискорення ШІ та машинного навчання

Вибухове зростання навантажень ШІ та машинного навчання є особливим випадком застосування у дата-центрах – це заслуговує окремої згадки, оскільки ШІ висуває унікальні вимоги та стимулює нові способи використання кремнієвої фотоніки. Навчання передових моделей ШІ (наприклад, великих мовних моделей для чат-ботів) включає масивні паралельні обчислення, розподілені між багатьма GPU або спеціалізованими прискорювачами ШІ. Цим чипам потрібно обмінюватися величезними обсягами даних для таких завдань, як навчання моделей, що часто призводить до перевантаження звичайних електричних з’єднань. Кремнієва фотоніка дає ШІ подвійну перевагу: високошвидкісні з’єднання та навіть потенціал для оптичних обчислень.

З боку інтерконекту розробляються оптичні з’єднання для прямого підключення AI-акселераторів або пам’яті за допомогою світла (іноді це називають оптичним I/O). Замінюючи традиційну серверну задню панель або зв’язок GPU-GPU на оптоволокно, AI-системи можуть суттєво зменшити затримку комунікації та енергоспоживання. Наприклад, стартапи на кшталт Ayar Labs створюють оптичні чіплети I/O, які розміщуються поруч із процесорами та передають дані за допомогою світла, усуваючи необхідність у щільних пучках мідних провідників. У 2024 році Ayar Labs продемонструвала оптичний чіплет, що забезпечує пропускну здатність 8 Тбіт/с за допомогою 16 довжин хвиль світла – це ознака того, як можуть виглядати інтерконекти AI наступного покоління businesswire.com. Великі виробники чипів звертають на це увагу: Nvidia, AMD та Intel інвестували в Ayar Labs у рамках раунду фінансування на $155 млн, роблячи ставку на те, що оптичні інтерконекти стануть ключем до масштабування майбутнього AI-обладнання nextplatform.com. Як пожартував один журналіст, якщо не вдається досягти достатньої швидкості лише прискоренням чипів, “найкраще, куди можна вкласти гроші, — це, ймовірно, якась форма оптичного I/O.” nextplatform.com

Окрім передачі даних між AI-чипами, кремнієва фотоніка також відкриває можливості для оптичних обчислень в AI. Це означає виконання певних обчислень (наприклад, матричних множень у нейронних мережах) за допомогою світла, а не електрики, що потенційно дозволяє обійти деякі обмеження швидкості та енергоспоживання сучасних електронних AI-акселераторів. Компанії, такі як Lightmatter та Lightelligence, створили прототипи фотонних процесорів, які використовують інтерференцію світла в кремнієвих хвилеводах для паралельних обчислень. Наприкінці 2024 року Lightmatter залучила вражаючі $400 млн у раунді Series D (що підняло її оцінку до $4,4 млрд) для розвитку своєї технології оптичних обчислень nextplatform.com. Хоча ці фотонні AI-акселератори ще тільки з’являються, вони обіцяють надшвидке, з мінімальною затримкою виконання нейронних мереж із набагато меншим енергоспоживанням, оскільки фотони майже не генерують тепла порівняно з мільярдами перемикань транзисторів.

Загалом, оскільки AI-моделі зростають у розмірах і складності (і вимагають кластери з десятків тисяч чипів), кремнієва фотоніка розглядається як «зміна парадигми», що може подолати вузькі місця у комунікаціях AI-інфраструктури laserfocusworld.com. Вона пропонує спосіб масштабувати пропускну здатність між процесорами лінійно відповідно до попиту, з чим електричні з’єднання справляються важко. Спостерігачі галузі прогнозують, що оптичні технології (такі як оптика спільної упаковки, оптичні з’єднання між чипами і, можливо, фотонні обчислювальні елементи) стануть стандартом у AI-системах у найближчі роки – і це буде не просто нішевий експеримент. Насправді, за однією з оцінок, AI-центри обробки даних зростатимуть настільки швидко (50% CAGR у споживанні енергії), що до 2030 року вони можуть стати нежиттєздатними з існуючими електричними інтерфейсами, що робить кремнієву фотоніку «незамінною частиною нашої майбутньої інфраструктури», щоб зберегти масштабованість AI laserfocusworld.com.

Телекомунікації та мережі

Кремнієва фотоніка бере свій початок у телекомунікаціях і продовжує революціонізувати способи передачі даних на великі відстані. У волоконно-оптичних телекомунікаційних мережах – чи то магістраль Інтернету, підводні кабелі, чи міські та абонентські мережі – інтегрована фотоніка використовується для створення оптичних трансиверів, які є меншими, швидшими та дешевшими. Традиційні оптичні комунікаційні системи часто покладалися на дискретні компоненти (лазери, модулятори, детектори, зібрані окремо), але кремнієва фотонна інтеграція дозволяє розмістити багато з цих компонентів на одному чипі, підвищуючи надійність і знижуючи витрати на складання tanaka-preciousmetals.com.

Сьогодні оптичні трансиверні модулі, що використовують кремнієву фотоніку, є поширеними для з’єднань у дата-центрах і все частіше впроваджуються в телеком-інфраструктурі для 100G, 400G і вище. Наприклад, такі компанії, як Infinera та Cisco (Acacia), розробили когерентні оптичні трансивери на основі кремнієвої фотоніки для ліній 400G та 800G у телеком-мережах. Широкосмугові та 5G/6G бездротові мережі також отримують переваги – волоконно-оптичні лінії, що з’єднують стільникові вежі або передають дані fronthaul/backhaul, можуть бути зроблені ефективнішими завдяки кремнієвій фотоніці. Intel підкреслює, що кремнієва фотоніка відіграватиме роль у “мережах 5G наступного покоління з меншими форм-факторами та вищими швидкостями: від 100G сьогодні до 400G і більше завтра” expertmarketresearch.com. Можливість інтегрувати десятки лазерних довжин хвиль на одному чипі корисна для систем щільного спектрального мультиплексування (DWDM), які телеком-оператори використовують для збільшення кількості каналів у кожному волокні. У 2023 році китайська компанія InnoLight навіть продемонструвала 1,6 Тбіт/с оптичний трансивер (з використанням кількох довжин хвиль і сучасної модуляції) – це ознака того, що багатотерабітні оптичні лінії вже на горизонті optics.org.

Ще одна мережева сфера застосування – це ядрове маршрутизуюче та комутаційне обладнання. Високопродуктивні маршрутизатори та оптичні комутаційні платформи починають використовувати кремнієво-фотонні схеми для таких функцій, як оптичне перемикання, маршрутизація сигналу та навіть фільтрація довжин хвиль на чипі. Наприклад, були створені прототипи великих кремнієво-фотонних комутаційних матриць, які використовують кремнієві MEMS або термооптичні ефекти для швидкого перемикання світлових шляхів, що потенційно дозволяє здійснювати повністю оптичне комутаційне з’єднання. Згодом їх можна буде використовувати в мережах дата-центрів для оптичної реконфігурації з’єднань на льоту (Google натякала на використання оптичних комутаторів у деяких своїх AI-кластерах) nextplatform.com.

Загалом, у сфері телекомунікацій цілі полягають у вищій пропускній здатності та нижчій вартості за біт. Кремнієва фотоніка допомагає шляхом масштабування пропускної здатності волоконно-оптичних ліній (100G → 400G → 800G і 1,6T на довжину хвилі) та зниження виробничих витрат завдяки процесам виготовлення на основі CMOS. Показово, що підрозділ кремнієвої фотоніки Intel, до реорганізації, поставив понад 8 мільйонів фотонних трансиверних чипів з 2016 по 2023 рік для використання в дата-центрах і мережах optics.org. І галузеві колаборації зростають: наприклад, Intel наприкінці 2023 року оголосила, що передасть виробництво своїх трансиверів компанії Jabil (контрактному виробнику) для подальшого масштабування виробництва optics.org. Тим часом гіганти оптичних компонентів, такі як Coherent (раніше II-VI), і традиційні постачальники телекомунікаційного обладнання (Nokia, Ciena тощо) всі інвестують у кремнієву фотоніку для оптичних модулів наступного покоління optics.org. Технологія стає наріжним каменем як фізичної інфраструктури Інтернету, так і швидко розвиваючоїся екосистеми 5G/6G-комунікацій.

Сенсори та LiDAR

Кремнієва фотоніка — це не лише про комунікації — вона також відкриває нові типи сенсорів, використовуючи точний контроль світла на чипі. Одна з цікавих сфер — це біохімічні та екологічні сенсори. Кремнієві фотонні сенсори можуть виявляти мінімальні зміни показника заломлення або поглинання, коли зразок (наприклад, крапля крові чи хімічна пара) взаємодіє зі спрямованим світловим променем. Наприклад, кремнієвий фотонний чип може містити крихітний кільцевий резонатор або інтерферометр, який змінює частоту, коли певні молекули зв’язуються з ним. Це дозволяє проводити аналіз біомаркерів у форматі «лабораторія на чипі» — білків, ДНК, газів тощо — з високою чутливістю та потенційно низькою вартістю. Такі фотонні біосенсори можуть використовуватися для медичної діагностики, моніторингу довкілля або навіть у застосуваннях типу «штучний ніс» optics.org optics.org. Важливими є переваги мініатюризації та інтеграції: один кремнієвий фотонний сенсорний чип може інтегрувати джерела світла, сенсорні елементи та фотодетектори, пропонуючи компактний, міцний сенсор замість громіздкого лабораторного оптичного обладнання. Дослідження у сфері фотоніки на основі нітриду кремнію (варіант, що краще працює для видимого діапазону) відкриває ще більше сенсорних застосувань, оскільки SiN може проводити видиме світло для виявлення таких явищ, як флуоресценція чи сигнали Рамана, які чистий кремній не може забезпечити.

Ще одним стрімко зростаючим застосуванням є LiDAR (Light Detection and Ranging) для автономних транспортних засобів, дронів і робототехніки. LiDAR-системи випромінюють лазерні імпульси та вимірюють відбиття світла для картографування відстаней – по суті, це “3D-лазерний зір”. Традиційні LiDAR-пристрої часто покладаються на механічне сканування та окремі лазери/детектори, що робить їх дорогими та дещо громіздкими. Кремнієва фотоніка пропонує спосіб створити LiDAR на чипі: інтегруючи елементи керування променем, розгалужувачі, модулятори та детектори монолітно. Кремнієвий фотонний LiDAR може використовувати твердотільне керування променем (наприклад, оптичні фазові решітки) для сканування навколишнього середовища без рухомих частин. Це суттєво зменшує розмір і вартість LiDAR-пристроїв. Насправді, Mobileye від Intel вже заявила, що використовує кремнієві фотонні інтегральні схеми у своїх сенсорах LiDAR для автономного водіння наступного покоління приблизно у 2025 році tanaka-preciousmetals.com. Така інтеграція може знизити вартість LiDAR і забезпечити масове впровадження у автомобілях. LiDAR на основі кремнієвої фотоніки також може досягати швидшого сканування та вищої роздільної здатності завдяки використанню декількох довжин хвиль або когерентних методів детектування, вбудованих у чип. Додатковою перевагою є те, що ці інтегровані рішення, як правило, споживають менше енергії – важливий фактор для електромобілів.

За даними Ansys, “рішення LiDAR на основі кремнієвої фотоніки є компактнішими, споживають менше енергії та дешевші у виробництві, ніж системи, побудовані з окремих компонентів.” ansys.com Це коротко пояснює, чому компанії – від стартапів до технологічних гігантів – змагаються у розробці фотонного LiDAR. Ми вже бачимо прототипи FMCW LiDAR (LiDAR з частотно-модульованою безперервною хвилею), який вимагає делікатних фотонних схем, таких як налаштовувані лазери та інтерферометри. Кремнієва фотоніка є природною платформою для цього, і експерти прогнозують, що інтегрована фотоніка стане ключем до масштабного впровадження FMCW LiDAR (завдяки його великій дальності та стійкості до перешкод) optics.org optics.org. У найближчому майбутньому очікуйте, що автомобілі та дрони будуть оснащені малими, чиповими LiDAR-пристроями з високою продуктивністю – прямий результат інновацій у кремнієвій фотоніці.

Окрім LiDAR, інші сфери застосування сенсорики включають гіроскопи та інерційні сенсори (використання кільцевих лазерних гіроскопів на чипі для навігації) та спектрометри (інтегровані оптичні спектрометри для хімічного аналізу). Спільною рисою є те, що кремнієва фотоніка забезпечує точність оптичних вимірювань у мініатюрному, придатному для масового виробництва форматі. Це відкриває нові можливості у споживчій електроніці (уявіть собі оптичний сенсор здоров’я у смарт-годиннику), промисловому моніторингу та наукових приладах.

Квантові обчислення та фотонні квантові технології

У гонитві за квантовими комп’ютерами фотони (частинки світла) відіграють унікальну роль. На відміну від електронів, фотони можуть долати великі відстані, не взаємодіючи з навколишнім середовищем (що корисно для передачі квантової інформації), а деякі схеми квантових обчислень використовують фотони як самі кубіти. Кремнієва фотоніка стала провідною платформою для досліджень у сфері квантових обчислень і мереж.

Кілька стартапів і дослідницьких груп працюють над фотонними квантовими комп’ютерами, які використовують кремнієві фотонні схеми для створення та маніпулювання кубітами, закодованими у світлі. Наприклад, PsiQuantum, стартап із значним фінансуванням, співпрацює з напівпровідниковим заводом для створення масштабного квантового комп’ютера з використанням тисяч кремнієвих фотонних каналів кубітів. Ідея полягає в інтеграції таких пристроїв, як джерела одиночних фотонів, розділювачі пучків, фазові модулятори та фотонні детектори на одному чипі для виконання квантової логіки з фотонами. Перевага кремнієвої фотоніки тут — масштабованість: оскільки вона базується на виробництві CMOS, можна (в принципі) створювати дуже складні квантові фотонні схеми зі сотнями або тисячами компонентів, що набагато складніше в інших підходах до квантового обладнання. Дійсно, нещодавно дослідники продемонстрували кремнієві фотонні чипи з тисячами компонентів, які працюють разом для маніпулювання квантовим світлом nature.com.

Кремнієва фотоніка також дає змогу квантовим мережам — захищеним комунікаціям із використанням квантового розподілу ключів (QKD) та заплутаних фотонів — забезпечуючи платформу для компактних, стабільних оптичних квантових передавачів і приймачів. Крім того, певні технології квантових сенсорів (наприклад, оптичні квантові гіроскопи або однофотонний LiDAR) можуть використовувати кремнієві фотонні чипи як основу.

Одним із головних викликів у фотонних квантових обчисленнях є генерація одиночних фотонів за вимогою та їх маршрутизація з низькими втратами. Цікаво, що ті самі обмеження (і рішення), які стосуються класичної кремнієвої фотоніки, діють і в квантовій: кремній не випромінює лазерне світло природним чином, тому квантові фотонні чипи часто використовують інтегровані нелінійні процеси або джерела на основі квантових точок для створення одиночних фотонів, або гібридно інтегрують спеціалізовані матеріали. Переваги подібні — висока точність і мініатюризація. Як зазначає звіт Ansys, квантові комп’ютери використовують фотони для обчислень, а керування цими фотонами за допомогою інтегрованої фотоніки дає переваги у швидкості, точності та вартості ansys.com. На практиці кремнієва фотоніка може забезпечити стабільність і можливість виробництва, необхідні для масштабування квантових систем від лабораторних експериментів до реальних машин.

Окрім обчислень, квантові фотонні сенсори (наприклад, інтерферометри, що використовують квантові стани для підвищеної чутливості) та квантові генератори випадкових чисел — це ще одні сфери, де кремнієва фотоніка має вплив. Хоча фотонні квантові обчислення все ще перебувають у стадії розробки і, ймовірно, до зрілості залишилося кілька років, значні інвестиції в цю галузь підкреслюють її перспективність. У 2022 році провідний дослідник, професор Джон Бауерс, відзначив, що кремнієва фотоніка швидко розвивається з багатьма новими застосуваннями, включаючи квантові, на горизонті nature.com. Можна передбачити, що перші квантові комп’ютери великого масштабу можуть насправді бути оптичними, побудованими на кремнієвих фотонних чіпах — захоплюючий повний цикл, коли технологія, спочатку розроблена для телекомунікацій, може забезпечити наступний стрибок в обчисленнях.

Поточні тенденції та розробки (2025)

Станом на 2025 рік кремнієва фотоніка набуває величезного імпульсу. Ряд тенденцій об’єдналися, щоб просунути цю технологію з лабораторій і нішевих застосувань у мейнстрім технологічної індустрії:

Вузьке місце передачі даних і спільно упакована оптика: Ненаситний попит на дані (особливо з боку ШІ та хмарних сервісів) зробив електричні інтерконекти серйозним вузьким місцем. Ми вже на тому етапі, коли при кожному подвоєнні пропускної здатності інтерконекту доводиться вдвічі скорочувати довжину мідного кабелю, щоб зберегти цілісність сигналу nextplatform.com – це невигідний компроміс. Ця нагальність привернула увагу до підходів на кшталт спільно упакованої оптики (CPO), коли оптичні двигуни розміщуються безпосередньо поруч із ASIC-комутаторами або процесорними чіпами, щоб практично повністю усунути електричну відстань передачі. У 2023 році кілька компаній продемонстрували спільно упаковану оптику в комутаторах (наприклад, прототипи комутаторів Broadcom на 25,6 Тбіт/с і 51,2 Тбіт/с з інтегрованими лазерними фотонними двигунами). Дорожні карти галузі свідчать, що чіпи Ethernet-комутаторів на 51,2 Тбіт/с зі спільно упакованою кремнієвою фотонікою мають з’явитися на ринку протягом наступного року-двох tanaka-preciousmetals.com, а приблизно у 2026–2027 роках ми, ймовірно, побачимо перші CPU/GPU, які безпосередньо використовують оптичний ввід/вивід nextplatform.com. Іншими словами, оптична ера інтерконектів ось-ось настане у практичних системах. Такі компанії, як Intel, Nvidia та Cisco, активно розробляють рішення CPO. Насправді, проєкт Tomambe від Intel та інші вже продемонстрували фотонні двигуни на 1,6 Тбіт/с, інтегровані з чіпами комутаторів tanaka-preciousmetals.com. Загальний консенсус: після багатьох років досліджень спільно упакована оптика переходить від прототипу до продукту, маючи на меті знизити енергоспоживання на біт завдяки наближенню джерел світла до джерела даних (за однією з оцінок, економія енергії становить 30% порівняно з підключаємою оптикою laserfocusworld.com).
Сплеск інвестицій та активності стартапів: Останні кілька років спостерігається значний приплив інвестицій та фінансування у венчури кремнієвої фотоніки. Це відображає впевненість галузі у майбутньому цієї технології. Наприклад, наприкінці 2024 року Ayar Labs залучила $155 млн у раунді фінансування серії D (що дало їй статус “єдинорога” з оцінкою понад $1 млрд) для масштабування своїх оптичних рішень I/O; примітно, що в цьому раунді були стратегічні інвестиції від Nvidia, AMD та Intel nextplatform.com. Так само стартап фотонних обчислень Lightmatter отримав $400 млн фінансування у 2024 році для розвитку своєї оптичної AI-платформи прискорення nextplatform.com. Ще один стартап, Celestial AI, який спеціалізується на оптичних інтерконектах для AI, не лише залучив $175 млн на початку 2024 року, а й придбав портфель інтелектуальної власності з кремнієвої фотоніки компанії Rockley Photonics (колишньої фотонної компанії, орієнтованої на сенсори) за $20 млн у жовтні 2024 року datacenterdynamics.com. Це придбання дало Celestial AI понад 200 патентів у сфері кремнієвої фотоніки та свідчить про певну консолідацію в галузі – менші гравці з цінними фотонними технологіями (Rockley розробляла передові модулятори та інтегровану оптику для носимих пристроїв) поглинаються компаніями, які орієнтуються на ринки дата-центрів та AI. Ми також бачили, як HyperLight та Lightium, два стартапи, що спеціалізуються на тонкоплівкових фотонних чіпах з ніобату літію, залучили разом $44 млн інвестицій у 2023 році optics.org, що підкреслює інтерес до нових матеріалів для вдосконалення кремнієвої фотоніки (TFLN-модулятори можуть забезпечити вищу швидкість і низькі втрати). Загалом, венчурне фінансування та корпоративна підтримка компаній кремнієвої фотоніки перебувають на рекордно високому рівні, що відображає усвідомлення того, що оптичні технології є критично важливими для майбутніх напівпровідників.
Дозрівання технологій та зростання екосистеми: Ще однією тенденцією є дозрівання екосистеми кремнієвої фотоніки. Все більше фабрик і постачальників долучаються до цієї сфери. Раніше лише кілька гравців (таких як Intel або Luxtera) мали повний цикл можливостей. Тепер великі напівпровідникові фабрики, такі як GlobalFoundries, TSMC і навіть STMicroelectronics, пропонують виробничі лінії для кремнієвої фотоніки або стандартизовані фотонні PDK (набори для проєктування процесів) для клієнтів ansys.com. Така стандартизація дозволяє стартапам або меншим компаніям проєктувати фотонні схеми та виготовляти їх без необхідності будувати власне виробництво – аналогічно до того, як працюють безфабричні компанії з виробництва електронних чипів. Регулярно проводяться спільні запуску пластин (MPW) для фотонних чипів, коли кілька проєктів ділять один запуск пластини, що суттєво знижує вартість прототипування. Галузеві групи працюють над стандартизованими рішеннями для пакування (оптичні інтерфейси введення/виведення, методи кріплення волокон), щоб фотонні чипи можна було легше інтегрувати у продукти. Створення Американського інституту виробництва інтегрованої фотоніки (AIM Photonics) стало значним поштовхом: цей державно-приватний консорціум створив виробничу лінію для кремнієвої фотоніки та пакування у Нью-Йорку й нещодавно отримав $321 мільйон, 7-річну програму (до 2028 року) для розвитку виробництва інтегрованої фотоніки у США nsf.gov. Аналогічно, у Європі дослідницькі інститути, такі як IMEC у Бельгії та CEA-Leti у Франції, надають платформи для кремнієвої фотоніки та сприяли формуванню кластеру фотонних стартапів. У Китаї також спостерігається активний розвиток кремнієвої фотоніки: компанії, такі як InnoLight і Huawei, інвестують у власні можливості виробництва фотонних чипів optics.org optics.org. Усі ці події свідчать про те, що кремнієва фотоніка більше не є експериментальною технологією – вона стає стандартною частиною інструментарію напівпровідникової галузі.
Вищі швидкості та нові матеріали: З технологічної точки зору ми спостерігаємо стрімкий прогрес у підвищенні продуктивності кремнієвих фотонних пристроїв. 800G оптичні трансивери вже проходять тестування, модулі на 1,6 Тбіт/с були продемонстровані optics.org, а модулі на 3,2 Тбіт/с, що підключаються, очікуються до 2026 року optics.org. Для досягнення таких швидкостей інженери використовують усе — від 16-канального мультиплексування за довжиною хвилі до передових форматів модуляції, фактично використовуючи оптичну область для ущільнення більшої кількості бітів. На рівні пристроїв у кремнієву фотоніку інтегрують нові матеріали, щоб подолати обмеження кремнію. Яскравий приклад — тонкоплівковий ніобат літію (TFLN) на кремнії, який забезпечує дуже швидкі модулятори на основі ефекту Поккельса з низькими втратами. Це може дозволити створення модуляторів, що працюють із шириною смуги модуляції понад 100 ГГц, придатних для майбутніх ліній 1,6T і 3,2T або навіть для квантових застосувань optics.org. Стартапи, такі як HyperLight, комерціалізують ці гібридні чипи LiNbO3/Si. Інші матеріали, що досліджуються, включають електрооптичні модулятори на основі титанату барію (BTO) і матеріали, леговані рідкісноземельними елементами, для лазерів/підсилювачів на чипі optics.org. Також триває робота з інтеграції напівпровідників III-V групи (InP, GaAs) на кремній для покращення лазерів і оптичних підсилювачів — наприклад, лазери на квантових точках, вирощені безпосередньо на кремнії, досягли значного прогресу, вирішуючи проблеми надійності, які переслідували попередні спроби nature.com nature.com. Коротко кажучи, палiтра матеріалів для кремнієвої фотоніки розширюється, що забезпечить вищу продуктивність і нові функції. Ми навіть бачимо, як кремнієво-фотонні мікрокомби (джерела оптичних частотних гребінок) використовуються для таких застосувань, як надшвидка передача даних і точна спектроскопія, що ще десять років тому здавалося б неймовірним.
Нові застосування та продукти: Поряд із основними застосуваннями, у 2025 році з’являються нові сценарії використання. Один із них — оптичні обчислення для ШІ (обговорювалося раніше), які переходять від дослідницьких демонстрацій до перших продуктів – наприклад, компанія Lightelligence представила фотонний обчислювальний пристрій для прискорення інференсу ШІ. Ще один напрям — оптичні з’єднання між чипами у передових корпусах: коли компанії досліджують багаточипові модулі та чиплети, оптичні з’єднання можуть з’єднувати ці чиплети на високій швидкості через корпус або інтерпозер. Такі стандарти, як UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), навіть розглядають оптичні розширення PHY. Ми також бачимо інтерес з боку уряду: DARPA та інші агентства мають програми з використання фотонних інтерконектів у оборонних системах (для високопродуктивної обробки та маршрутизації радіочастотних сигналів). А в споживчому сегменті є припущення, що протягом кількох років оптичний ввід/вивід може з’явитися у споживчих пристроях – наприклад, AR/VR-гарнітура із кремнієво-фотонним чипом для високошвидкісних сенсорних з’єднань або оптичний кабель Thunderbolt для AR-окулярів. Хоча цього ще немає, ці ідеї вже на стадії розробки.

Підсумовуючи, 2025 рік знаходить кремнієву фотоніку на точці перегину: на ринку з’являються значущі комерційні продукти (особливо в мережах), надходять величезні інвестиції, а екосистема дорослішає. Все більш очевидно, що оптика відіграватиме фундаментальну роль у майбутніх обчисленнях і підключенні. Як зазначив один із галузевих коментаторів, у другій половині цього десятиліття багато хто очікує, що оптичний ввід/вивід перейде з пілотних ліній у масове виробництво – «у поколінні обчислювальних систем 2025 року кремнієвої фотоніки може ще не бути, але у поколінні 2026 року вона вже може з’явитися, а у 2027-му — майже напевно буде», оскільки зрештою у нас немає вибору – «час міді минув». nextplatform.com

Виклики та обмеження

Попри весь ентузіазм, кремнієва фотоніка стикається з низкою викликів та обмежень, які дослідники та інженери активно намагаються подолати. Це трансформаційна технологія, але не чарівна паличка – принаймні поки що. Ось основні перешкоди:

Інтеграція джерел світла: Можливо, найвідомішим обмеженням є те, що кремній погано генерує світло. Кремній має непрямий заборонений рівень, тобто він не може діяти як лазер або ефективний світлодіод. Як відверто зазначає піонер фотоніки Джон Бауерс, «Кремній неймовірно поганий як випромінювач світла». nature.com Його внутрішня ефективність майже нульова – лише один з мільйона електронів у кремнії створює фотон, тоді як напівпровідники III-V групи, такі як фосфід індію або арсенід галію, можуть випромінювати світло з майже 100% ефективністю nature.com. Це означає, що для наявності лазерів на кремнієвому фотонному чипі зазвичай потрібно впроваджувати інші матеріали. Це можна зробити шляхом гібридної інтеграції (з’єднання шматка підкладки InP з лазерними діодами на кремнієву підкладку) або новішими методами, такими як пряме вирощування наноструктурованих лазерів III-V на кремнії. Прогрес у цій сфері обнадійливий: компанії та лабораторії (Intel, UCSB тощо) продемонстрували гібридно інтегровані лазери у масштабі, а нещодавно навіть квантово-точкові лазери, вирощені на 300 мм кремнієвих підкладках з гарною надійністю nature.com nature.com. Проте інтеграція лазерів додає складності та вартості. Якщо лазер знаходиться поза чипом (у окремому лазерному модулі, підключеному через оптоволокно), виникає завдання ефективно ввести це світло у крихітні хвилеводи на чипі. Коротко кажучи, запустити світло на чип — це нетривіальне завдання. Індустрія досліджує рішення, такі як гетерогенна інтеграція (кілька матеріалів на одному чипі) і навіть нові підходи, як-от електрично накачувані германій-кремнієві лазери або раманові лазери на кремнії, але ці технології ще розвиваються. Станом на 2025 рік більшість систем кремнієвої фотоніки використовують або гібридні лазери, або зовнішні лазери, підключені ззовні. Це одна з ключових сфер поточних досліджень.

точного контролю розмірів

З’єднання волокон з чипом

технік пакування

виробничий підхід має балансувати потреби кожної з них

«утворення тепла в електроніці може впливати на фотоніку.»

ansys.com

Вартість і обсяги: Говорячи про вартість – хоча кремнієва фотоніка обіцяє низьку ціну завдяки використанню великотоннажних кремнієвих фабрик, сьогоднішня реальність така, що ці пристрої все ще залишаються відносно нішевими та дорогими. Індустрія постачає мільйони одиниць (як трансивери для дата-центрів), але щоб справді знизити вартість, ймовірно, потрібно постачати мільярди одиниць щорічно ansys.com. Іншими словами, вона ще не досягла масштабів масової електроніки. Пристрої часто також потребують спеціалізованого пакування (як згадувалося) та тестування, що додає вартості. Сучасний кремнієвий фотонний трансивер для дата-центрів може коштувати сотні або тисячі доларів, що прийнятно для цього ринку, але занадто дорого для споживчих ринків. Економіка на дуже великому масштабі дещо невизначена – як зазначає один звіт, великі хмарні покупці турбуються про надійність і структуру витрат, якщо вони широко впровадять кремнієву фотоніку, оскільки ця технологія ще не досягла виробничої кривої навчання, властивої основному кремнію nextplatform.com. Однак вартість поступово знижується, і такі зусилля, як стандартні PDK фабрик і автоматизація, допомагають. Протягом наступних кількох років, із зростанням обсягів (завдяки ШІ та дата-центрам), ми повинні побачити зниження цін, що, у свою чергу, відкриє більше ринків (це доброчесний цикл, коли він запускається). Проте, у 2025 році вартість одного пристрою може бути обмежувальним фактором для впровадження кремнієвої фотоніки у чутливих до ціни застосуваннях.
Споживання енергії та ефективність: Хоча кремнієва фотоніка може зменшити енергоспоживання для передачі даних на дуже високих швидкостях, самі пристрої все ще споживають енергію – наприклад, модулятори часто використовують термічне налаштування або PN-переходи, які споживають струм, а лазери, звісно, споживають енергію. Існують додаткові витрати на перетворення електронних сигналів в оптичні і назад. Щоб справді заощадити енергію на рівні системи, ці додаткові витрати мають бути меншими за економію від відмови від довгих електричних з’єднань. Сучасні кремнієві фотонні трансивери досить енергоефективні (порядку кількох пікоДжоулів на біт для оптичного перетворення), але є прагнення знизити це ще більше, особливо якщо оптичний ввід/вивід використовується на кристалі або в шинах пам’яті, де потрібна дуже висока ефективність. Одним із перспективних підходів є використання електрооптичних матеріалів (таких як LiNbO3 або BTO), які можуть модуляти світло при дуже низькій напрузі (а отже, з меншим енергоспоживанням) замість термічного налаштування. Також інтеграція більш ефективних джерел світла (наприклад, квантово-точкових лазерів) може зменшити втрати енергії на лазерах (сучасні лазери з розподіленим зворотним зв’язком часто втрачають багато енергії у вигляді тепла). Тож, хоча кремнієва фотоніка вирішує проблему енергоспоживання інтерконектів на макрорівні, на мікрорівні інженери все ще оптимізують енергоспоживання кожного пристрою окремо. Хороша новина: навіть із сучасною технологією оптика у спільному корпусі може зменшити загальне енергоспоживання інтерконекту приблизно на 30% у порівнянні з традиційними знімними модулями laserfocusworld.com, а майбутні вдосконалення, ймовірно, збільшать ці вигоди.
Проектування та інструменти проектування: Це менш очевидний виклик, але важливий: проектування фотонних схем — це новий набір навичок, а EDA (автоматизація проектування електроніки) для фотоніки ще не такі зрілі, як для електроніки. Моделювання оптичних схем, особливо великих із багатьма компонентами, може бути складним. Необхідно враховувати варіативність у виробництві під час проектування (можливо, знадобляться термостабілізатори для корекції дрібних помилок). Потрібні кращі інструменти проектування, які можуть спільно оптимізувати електронні та фотонні частини схем, що часто називають EPDA (автоматизація проектування електронно-фотонних схем). Екосистема поступово розвивається — компанії на кшталт Synopsys, Cadence і Lumerical (Ansys) вже мають інструменти для фотонного проектування — але це все ще галузь, що розвивається. Пов’язана проблема — відсутність стандартів у деяких сферах: хоча багато фабрик пропонують PDK, у кожної можуть бути різні бібліотеки компонентів і параметри. Це може зробити проекти менш портованими, ніж електронні. Індустрія рухається до спільних стандартів (наприклад, формат обміну макетами для фотонних схем або стандартизовані моделі компонентів), але потрібно ще багато зробити для оптимізації процесу проектування. Також важливо формувати надійний кадровий резерв: потрібні інженери, які розуміють і аналогове проектування в стилі RF/мікрохвиль, і оптичну фізику, а таких фахівців бракує (хоча багато університетів уже випускають випускників із цієї міждисциплінарної сфери).
Обмеження продуктивності: Хоча кремнієва фотоніка значно покращує певні показники, вона має і свої фізичні обмеження. Оптичні втрати у хвилеводах, хоч і низькі (~дБ/см), накопичуються у великих схемах, а різкі вигини чи дрібні елементи можуть збільшувати втрати. Також потрібно мінімізувати втрати при з’єднанні волокна з чипом. Термічна чутливість кремнію (зміна показника заломлення з температурою) означає, що багато кремнієво-фотонних схем потребують стабілізації або калібрування. Обмеження смуги пропускання можуть виникати у модуляторах чи детекторах — наприклад, кремнієві кільцеві модулятори мають обмежену смугу пропускання і чутливі до температури, а модуляторам Маха-Цендера потрібне ретельне проектування для досягнення дуже високої швидкості без спотворень. Хроматична дисперсія у хвилеводах може обмежувати дуже широкосмугові застосування (хоча зазвичай це не проблема на коротких відстанях на чипі). Ще один нюанс: електронно-фотонна інтеграція часто вимагає спільного проектування електроніки (наприклад, драйверних підсилювачів, TIA для детекторів) із фотонікою. Інтерфейс між ними може обмежувати загальну продуктивність (наприклад, якщо модулятору потрібна певна амплітуда напруги, потрібен драйвер, який може швидко її забезпечити). Тому системна інженерія є складною. Крім того, не всі застосування виправдовують використання фотоніки — для дуже коротких, низькошвидкісних з’єднань електричні рішення можуть бути дешевшими й простішими. Тож визначення, де саме впроваджувати кремнієву фотоніку для максимального ефекту, — це окреме питання.

Підсумовуючи, хоча жодна з цих проблем не є критичною перешкодою, у сукупності вони означають, що кремнієва фотоніка все ще має певний шлях розвитку. Багато з найяскравіших умів у фотоніці та електроніці активно працюють над цими питаннями: інтеграцією кращих лазерів, удосконаленням пакування, масштабуванням виробництва та розширенням можливостей проєктування. Прогрес навіть за останні кілька років є обнадійливим. Як зазначив професор Бауерс, такі виклики, як інтеграція III-V лазерів у CMOS, підвищення виходу придатної продукції та приєднання волокон, а також зниження вартості, вирішуються з «дуже швидким прогресом» nature.com. Щороку відбуваються покращення, і розрив між лабораторним прототипом і масовим виробництвом стає трохи меншим. Варто пам’ятати, що для досягнення нинішнього масштабу електронним ІС знадобилися десятиліття напруженої роботи — кремнієва фотоніка, порівняно, перебуває на значно раннішій стадії свого шляху, але швидко наздоганяє.

Провідні компанії та установи у цій галузі

Кремнієва фотоніка стала глобальним напрямом, у якому беруть участь багато компаній (від стартапів до технологічних гігантів) і науково-дослідних установ, що рухають галузь уперед. За даними ринкових досліджень, провідними гравцями на ринку кремнієвої фотоніки (станом на 2025 рік) є такі гіганти індустрії, як Cisco, Intel та IBM, а також спеціалізовані компанії, такі як NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics і STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Ось огляд деяких ключових учасників:

Intel Corporation (США): Піонер у сфері кремнієвої фотоніки, Intel рано й суттєво інвестувала в цю технологію. У 2016 році компанія представила один із перших 100G кремнієвих фотонних трансиверів і з того часу відвантажила мільйони пристроїв optics.org. Intel використовує кремнієву фотоніку у високошвидкісних оптичних трансиверах і впроваджує її у майбутні серверні процесори та edge-застосування. Бачення компанії — “забезпечити майбутнє зростання пропускної здатності дата-центрів” за допомогою фотоніки, масштабуючи від 100G до 400G і більше, а також інтегрувати оптику з процесорами для таких застосувань, як 5G та автономні транспортні засоби expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Підрозділ Silicon Photonics компанії Intel нещодавно уклав партнерство з Jabil для виробництва, що свідчить про перехід до масового виробництва optics.org. Intel також досліджує спільно упаковану оптику для комутаторів і має частку в численних фотонних стартапах (наприклад, Ayar Labs).
Cisco Systems (США): Cisco, гігант у сфері мереж, увійшла в кремнієву фотоніку через поглинання (наприклад, придбання Luxtera у 2019 році) і зараз є провідним постачальником кремнієво-фотонних оптичних трансиверів для дата-центрів і телекомунікацій. Cisco використовує свою фотонну технологію у продуктах від 100G/400G змінних модулів до майбутніх спільно упакованих оптичних комутаторів. Рішення Cisco виграють завдяки власній розробці фотонних ІС, які забезпечують високу щільність і енергоефективність. Використовуючи кремнієву фотоніку, Cisco надає клієнтам високошвидкісні інтерконекти з меншими форм-факторами. У 2025 році Cisco є одним із лідерів ринку, що постачає кремнієву фотоніку у великих обсягах expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (США): IBM має тривалу історію досліджень у сфері оптичних інтерконектів. Її команда Silicon Photonics, з понад десятирічним досвідом R&D, розробила високошвидкісну технологію оптичних з’єднань, орієнтовану на інтерконекти на рівні плати та процесора expertmarketresearch.com. Дослідження IBM призвели до досягнень у сфері кремнієвих мікрокільцевих модуляторів, мультиплексування за довжиною хвилі та пакування. Хоча IBM не продає трансивери, як Intel чи Cisco, вона часто співпрацює над прототипами (наприклад, IBM і Mellanox у 2015 році продемонстрували оптичний інтерконект для серверів). Основний акцент IBM — використання фотоніки для вирішення обмежень у комп’ютингу (наприклад, процесор POWER10 використовує фотонні з’єднання для міжкристального сигналу через партнерства). IBM також робить внесок у стандарти та відкриті дослідження; її роботи часто представлені на конференціях, таких як OFC та CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (США): NeoPhotonics (тепер є частиною Lumentum з 2022 року) спеціалізується на лазерах і фотонних компонентах для телекомунікацій і дата-центрів. Вони розробили ультрачисті налаштовувані лазери та високошвидкісні модулятори. Зокрема, NeoPhotonics представила кремнієво-фотонні когерентні оптичні субмодулі (COSA) для зв’язку на швидкості 400G на довжину хвилі та проводила дослідження 800G і вище expertmarketresearch.com. Як частина Lumentum (одного з провідних гравців оптичної індустрії), ця експертиза сприяє створенню наступного покоління когерентних трансиверів і підключаємих модулів для телекомунікацій. Володіння Lumentum означає, що ці кремнієво-фотонні продукти можуть бути інтегровані з існуючим фотонним портфоліо Lumentum (наприклад, їхні модулятори та підсилювачі на основі фосфіду індію).
Hamamatsu Photonics (Японія): Лідер у сфері оптоелектронних компонентів, Hamamatsu виробляє широкий спектр фотонних пристроїв (фотодіоди, фотопомножувачі, матриці зображень тощо). Hamamatsu використовує кремнієві технології для виробництва таких пристроїв, як кремнієві фотодіодні матриці та кремнієві оптичні сенсори expertmarketresearch.com. Хоча компанія не так сильно зосереджена на високошвидкісних трансиверах, робота Hamamatsu у сфері кремнієвої фотоніки є ключовою для сенсорики та наукових приладів. Вони пропонують кремнієві PIN-фотодіоди, APD та чипи оптичних сенсорів, які є основою для приймачів оптичного зв’язку та детекторів LiDAR. Їхній досвід у низькошумній, високочутливій фотоніці доповнює цифрову комунікаційну складову кремнієвої фотоніки.
STMicroelectronics (Швейцарія/Європа): STMicro — великий виробник напівпровідників, який розробив власні потужності у сфері кремнієвої фотоніки. Основний фокус STMicro — це інтегровані рішення для зображення та сенсорики – наприклад, вони виробляли кремнієво-фотонні чипи для волоконно-оптичних гіроскопів і працювали над дослідженнями оптичних інтерконектів у європейських консорціумах. Передові фабрики STMicro та можливості MEMS добре позиціонують компанію для кремнієвої фотоніки, яка потребує інтеграції з іншими сенсорами чи електронікою expertmarketresearch.com. Такі країни, як Франція та Італія (де ST має великі виробничі потужності), підтримують фотоніку через різні ініціативи, і ST часто є партнером у цих проєктах. Також ходять чутки, що компанія постачає деякі кремнієво-фотонні компоненти для промислових та автомобільних систем.
GlobalFoundries (США) та TSMC (Тайвань): Ці контрактні виробники чипів кожен створив власні пропозиції у сфері кремнієвої фотоніки. GlobalFoundries має відомий 45-нм кремнієво-фотонний процес (GF 45CLO) і співпрацює зі стартапами, такими як Ayar Labs, для виробництва оптичних I/O чипів. TSMC діє більш секретно, але, за повідомленнями, працює з великими технологічними компаніями над створенням фотонно-інтегрованих чипів (наприклад, деякі чутки про Apple вказують на участь TSMC у фотонних сенсорах). Обидві компанії є критично важливими для масштабування виробництва – наявність великих фабрик означає, що будь-яка компанія без власного виробництва може легше отримати прототипи та серійне виробництво фотонних чипів. Насправді, залучення таких фабрик є сильним індикатором того, що кремнієва фотоніка стає мейнстрімом.
Infinera (США) та Coherent/II-VI (США): Infinera — виробник телекомунікаційного обладнання, який одним із перших почав впроваджувати фотонні інтегральні схеми (хоча й на основі фосфіду індію). Згодом вони також почали використовувати кремнієву фотоніку в деяких продуктах або для спільного пакування зі своїми InP PIC. Coherent (яка придбала Finisar і згодом взяла назву Coherent) глибоко залучена у виробництво оптичних компонентів; вони мають власні фабрики InP, але також розробляють кремнієві фотонні трансивери для дата-центрів optics.org. Ці компанії забезпечують телеком-рівень надійності та продуктивності, змушуючи кремнієву фотоніку відповідати вимогам операторського класу (наприклад, модулі 400ZR для когерентних ліній на відстані).
Ayar Labs, Lightmatter та стартапи: Хвиля інноваційних стартапів просуває кремнієву фотоніку у нові сфери. Ми вже згадували Ayar Labs (оптичний ввід/вивід для AI/HPC) та Lightmatter (оптичні обчислення). Інші включають Lightelligence (ще один стартап з оптичних AI-чипів), Luminous Computing (інтеграція фотоніки та електроніки для AI), Celestial AI (оптичні мережі для обчислювальних кластерів), OpenLight (спільне підприємство, що пропонує відкриту фотонну платформу з інтегрованими лазерами) та Rockley Photonics (зосереджена на сенсорах для здоров’я, зараз переважно придбана Celestial). Ці стартапи відзначаються амбіційними підходами – наприклад, 3D-інтегрований фотонний тензорний ядро Lightmatter або спроба Luminous створити повноцінний фотонний комп’ютер. Вони часто співпрацюють із великими компаніями (наприклад, HPE співпрацювала з Ayar Labs для використання оптичних інтерконектів у суперкомп’ютерній мережі nextplatform.com). Стартап-сцена дуже активна, і їхня присутність змушує лідерів ринку рухатися швидше. Один із галузевих оглядачів зазначив, що разом з Ayar такі компанії, як Lightmatter і Celestial AI, «усі мають шанс досягти успіху, оскільки кремнієва фотоніка стає мостом між обчислювальними ядрами та інтерконектами». nextplatform.com
Академічні та дослідницькі установи: З інституційного боку, провідні університети та національні лабораторії відіграють ключову роль у розвитку кремнієвої фотоніки. Каліфорнійський університет у Санта-Барбарі (UCSB) під керівництвом професора Джона Бауерса є лідером, який започаткував гібридні кремнієві лазери та квантові точкові лазери на кремнії. MIT, Стенфорд, Колумбійський університет (з групою професора Міхала Ліпсона) та Caltech — інші центри досліджень кремнієвої фотоніки у США, які працюють над усім: від нової фізики модуляторів до архітектур фотонних обчислень. У Європі IMEC у Бельгії веде відому програму з кремнієвої фотоніки та сервіс багатопроектних пластин (iSiPP), а також Університет Саутгемптона, ТУ Ейндговен, EPFL та інші мають сильні групи. Інститут AIM Photonics у США (згаданий вище) об’єднує багато з цих університетів і компаній для співпраці та забезпечує національні можливості фабрикації. Державні лабораторії, такі як MIT Lincoln Lab та IMEC, навіть продемонстрували складні інтегровані фотонні системи для оборони (наприклад, оптичні фазовані решітки для LiDAR). Крім того, міжнародні колаборації та конференції (такі як Optical Fiber Conference, ISSCC, зустрічі IEEE Photonics Society) дозволяють цим установам ділитися проривами. Галузь отримує користь від здорового академічно-індустріального потоку кадрів: багато засновників стартапів та лідерів індустрії навчалися у цих дослідницьких лабораторіях, а поточні академічні дослідження продовжують розширювати межі (наприклад, інтеграція нових матеріалів чи квантова фотоніка, як згадувалося).

Усі ці гравці – великі технологічні компанії, спеціалізовані виробники компонентів, амбітні стартапи та передові дослідницькі лабораторії – формують багату екосистему, яка разом рухає кремнієву фотоніку вперед. Конкуренція та співпраця між ними прискорюють інновації. Примітно, що навіть геополітика відіграє роль: існує усвідомлення перегони між США, Європою та Китаєм за лідерство у фотонних технологіях csis.org, враховуючи їх стратегічне значення для комунікацій та обчислень. Це призвело до збільшення державних інвестицій (наприклад, PhotonHub ЄС та національні фотонні ініціативи Китаю). Для загального техноентузіаста висновок такий: багато розумних людей і серйозних ресурсів у всьому світі вкладаються у те, щоб наші майбутні чипи спілкувалися за допомогою світла.

Експертні думки та цитати

Протягом розвитку кремнієвої фотоніки експерти галузі висловлювали думки, які допомагають зрозуміти її вплив. Ось кілька важливих інсайтів:

Про зсув парадигми в кремнієвій фотоніці: «Я часто описую кремнієву фотоніку як щось більше, ніж поступове вдосконалення — це зсув парадигми», — каже Рене Йонкер, керівник компанії Soitec, підкреслюючи, що на відміну від мідних з’єднань, які досягають своїх меж, оптичні лінії забезпечують стійкий спосіб обробки зростаючих обсягів даних. Хоча залишаються виклики щодо зниження вартості та масштабування виробництва, переваги — «вища пропускна здатність, менша затримка та нижче енергоспоживання» — роблять кремнієву фотоніку «незамінною частиною нашої майбутньої інфраструктури». laserfocusworld.com
Про енергоспоживання та оптику в дата-центрах: У коментарі Laser Focus World 2025 року було підкреслено нагальність проблеми в дата-центрах: до кінця десятиліття дата-центри можуть споживати 8% електроенергії США, якщо тенденції збережуться, а це «неприйнятно за існуючих електричних з’єднань». Автор зробив висновок, що «оптичні з’єднання, які забезпечує кремнієва фотоніка, — єдиний масштабований шлях уперед». laserfocusworld.com Іншими словами, щоб уникнути енергетичної та пропускної кризи, перехід на оптичні лінії — це не просто варіант, а необхідність.
Про виклики інтеграції: Професор Джон Бауерс (UCSB), видатний фахівець у фотоніці, прокоментував найскладнішу проблему: «Головний виклик — це інтеграція матеріалів III–V у кремнієву CMOS… Залишаються питання високої вихідності, надійності, зниження вартості та підключення волокна. Пакування електроніки та фотоніки разом — це виклик… Але прогрес дуже швидкий». nature.com Це підкреслює, що хоча інтеграція лазерів (матеріалів III–V) та досягнення ідеальної вихідності є складними, провідні компанії, такі як Intel, досягають сталого прогресу, і рішення вже на горизонті.
Про випромінювання світла в кремнії: У тому ж інтерв’ю Бауерс яскраво пояснив, чому для лазерів потрібен інший матеріал, а не кремній: «Кремній надзвичайно поганий випромінювач світла. Його внутрішня квантова ефективність становить приблизно одну частину на мільйон, тоді як у матеріалів III–V з прямою забороненою зоною ефективність фактично 100%. Я з самого початку знав, що нам потрібен напівпровідник із прямою забороненою зоною…» nature.com. Ця відверта оцінка пояснює, чому його команда ще на ранньому етапі зайнялася гібридними лазерами (з’єднання InP із Si) — підхід, який виправдав себе з появою гібридного кремнієвого лазера Intel у 2007 році та пізніше.
Досягнення сервера за допомогою оптики: Старший директор з фотоніки Intel Роберт Блум показав, як оптика поступово проникає всередину дата-центрів: «Коли ви заходите в дата-центр сьогодні, ви побачите 100 Гбіт/с мідні кабелі… це добре для чотирьох метрів. Але все, що поза межами стійки, вже використовує оптику. Зі збільшенням швидкості до 200 або 400 Гбіт/с, [досяжність] міді стає значно меншою, і ми починаємо бачити цю тенденцію, коли оптика доходить аж до сервера.» tanaka-preciousmetals.com Ця цитата яскраво відображає поточний перехід — оптика поступово замінює мідь від ядра мережі до її країв.
Щодо зростання ринку та ШІ: «Зростання ШІ викликало безпрецедентний попит на високопродуктивні трансивери… Кремнієва фотоніка та ФІС знаходяться в авангарді цієї революції», зазначає Сем Дейл, технічний аналітик IDTechX, відзначаючи здатність кремнієвої фотоніки забезпечувати «швидкості 1,6 Тбіт/с і більше.» optics.org У його звіті прогнозується, що ринок фотонних інтегральних схем може зрости майже в десять разів до 2035 року (до $54 млрд), головним чином завдяки потребам дата-центрів для ШІ optics.org.
Щодо майбутнього обчислень: Аналітики The Next Platform передбачають, що оптичний ввід/вивід незабаром з’явиться у HPC-системах. Вони зазначають, що до 2026–2027 років ми, ймовірно, побачимо масові CPU/GPU з оптичними інтерфейсами, оскільки «у найближчій перспективі у нас немає вибору.» Їхніми яскравими словами, «Час міді минув.» nextplatform.com Це відображає поширену думку в галузі: електричні з’єднання не впораються з наступною ерою обчислень, і фотоніка повинна взяти на себе цю роль, щоб уникнути глухого кута.

Ці думки експертів підкреслюють як обіцянки, так і труднощі кремнієвої фотоніки. Є спільна тема: кремнієва фотоніка є трансформаційною — вона забезпечує необхідний стрибок у продуктивності — але супроводжується серйозними технологічними викликами, які швидко вирішуються. Експерти відзначають поєднання оптимізму (зміна парадигми, незамінне майбутнє) та реалізму (проблеми інтеграції, питання вартості та масштабування). Їхні погляди допомагають широкій аудиторії зрозуміти, чому так багато компаній і дослідників захоплені кремнієвою фотонікою, а також чому знадобилося кілька десятиліть, щоб ця технологія зрушила з місця. Почути це з вуст тих, хто на передовій — чи то досвідчений дослідник, чи менеджер продукту — дає розуміння, що це сфера, де фізика, інженерія та ринкові сили перетинаються у захопливий спосіб.

Останні новини та досягнення

Сфера кремнієвої фотоніки дуже динамічна. Ось деякі останні новини та досягнення (за останній рік чи близько того), які ілюструють стрімкий прогрес у цій галузі:

Celestial AI купує інтелектуальну власність Rockley Photonics (жовтень 2024): Celestial AI, стартап, що розробляє оптичні інтерконекти Photonic Fabric™ для ШІ, оголосив про придбання патентного портфеля кремнієвої фотоніки Rockley Photonics за 20 мільйонів доларів datacenterdynamics.com. Rockley розробляла передові кремнієві фотонні сенсори та переорієнтувалася на носимі пристрої для здоров’я перед банкрутством. Ця угода надала Celestial AI понад 200 патентів, включаючи технології електро-оптичних модуляторів і оптичного комутування, корисних для застосування в дата-центрах datacenterdynamics.com. Це значна консолідація, яка свідчить про те, наскільки цінною стала фотонна інтелектуальна власність у сфері ШІ/дата-центрів. Інновації Rockley (наприклад, широкосмугові лазери для сенсорики) можуть отримати нове життя, інтегрувавшись у оптичні інтерконекти Celestial.
Великі інвестиції у стартапи – Ayar Labs і Lightmatter (кінець 2024): Два американські стартапи залучили великі раунди фінансування. Ayar Labs закрила раунд D на 155 мільйонів доларів у грудні 2024 року за участі лідерів напівпровідникової індустрії (Nvidia, Intel, AMD також інвестували разом із венчурними фондами) nextplatform.com. Цей раунд підняв оцінку Ayar вище 1 мільярда доларів, що свідчить про довіру до її технології оптичного I/O в корпусі, яка має замінити електричний I/O у майбутніх процесорах. За кілька тижнів до цього Lightmatter залучила 400 мільйонів доларів у раунді D (жовтень 2024), подвоївши загальний обсяг фінансування та оцінившись у 4,4 мільярда доларів nextplatform.com. Lightmatter розробляє фотонні обчислювальні чипи та технологію оптичних інтерпозерів для прискорення ШІ. Такі великі інвестиції є показовими – вони демонструють, що інвестори (та стратегічні партнери) вірять, що ці стартапи здатні вирішити критичні проблеми ШІ та обчислень за допомогою оптичних технологій. Це також означає, що можна очікувати перехід цих компаній від прототипів до продуктів; дійсно, Lightmatter вже впроваджує тестові системи, а оптичні чиплети Ayar плануються для пілотного використання в HPC-системах.
Intel передає виробництво трансиверів компанії Jabil (кінець 2023): У цікавому повороті подій Intel наприкінці 2023 року вирішила передати свій бізнес з виробництва кремнієвих фотонних трансиверів великого обсягу компанії Jabil, виробничому партнеру optics.org. З 2016 року Intel відвантажила понад 8 мільйонів фотонних трансиверних чипів optics.org – ці чипи використовуються для підключення 100G/200G у дата-центрах. Передавши виробництво Jabil (контрактному виробнику), Intel продемонструвала стратегічний зсув: компанія зосередиться на інтеграції фотоніки зі своїми основними платформами (такими як спільно упакована оптика та фотоніка на процесорі), а партнер займеться ринком стандартизованих трансиверів. Цей крок також відображає зрілість галузі – те, що кілька років тому було передовою технологією (100G pluggables), тепер стало настільки рутинним, що його можна передати на аутсорсинг. Jabil, зі свого боку, нарощує виробництво оптичних пристроїв, що потенційно може обслуговувати й інших клієнтів. Співпраця між Intel і Jabil була відзначена аналітиками як ключовий розвиток у галузі optics.org, зазначаючи це як частину еволюції екосистеми.
InnoLight презентує модуль на 1,6 Тбіт/с (кінець 2023): У гонці за вищими швидкостями InnoLight, китайська компанія з виробництва оптичних трансиверів, оголосила, що створила прототип оптичного трансивера на 1,6 терабіта на секунду optics.org. Ймовірно, це передбачає використання кількох довжин хвиль (наприклад, 16×100G або 8×200G каналів) на платформі кремнієвої фотоніки. Досягнення 1,6 Тбіт/с в одному модулі на рік раніше за деяких конкурентів демонструє зростаючу майстерність Китаю у сфері кремнієвої фотоніки. Модуль InnoLight може використовуватися для аплінків комутаторів верхнього рівня або для з’єднання AI-систем. Це також натяк на те, що модулі на 3,2 Тбіт/с (які, наприклад, використовуватимуть 8 довжин хвиль по 400G кожна) вже не за горами – дійсно, IDTechX прогнозує появу модулів на 3,2 Тбіт/с до 2026 року optics.org. Це був рекорд, що привернув загальну увагу, і підкреслює напружену глобальну конкуренцію; Coherent (США) та інші також працюють над розробками 1,6T і 3,2T optics.org.
Прогрес фотонного квантового чипа PsiQuantum (2024): На квантовому фронті компанія PsiQuantum (яка є закритою, але відомо, що співпрацює з GlobalFoundries) опублікувала дослідження, в якому окреслено шлях до фотонного квантового комп’ютера, стійкого до втрат, і анонсувала чип під назвою “Omega” для своєї фотонної квантової архітектури thequantuminsider.com. Хоча це ще не комерційний продукт, це свідчить про те, що апаратне забезпечення фотонних квантових обчислень розвивається – з кремнієвою фотонікою в основі. Підхід PsiQuantum вимагає інтеграції тисяч джерел і детекторів одиничних фотонів. Новина тут – це підтвердження можливості виробництва: у статті в Nature за 2022 рік було продемонстровано ключові компоненти (джерела, фільтри, детектори) на одному кремнієвому фотонному чипі, який можна масштабувати nature.com. Це свідчить про те, що вони рухаються до досягнення важливої віхи приблизно в середині 2020-х – на початку 2030-х років для прототипу оптичного квантового комп’ютера на мільйон кубітів (їхня довгострокова мета). Такі розробки, хоча й нішеві, уважно відстежуються, оскільки вони можуть переосмислити високопродуктивні обчислення.
Стартапи з фотоніки на основі ніобату літію отримали фінансування (2023): Як вже згадувалося, два стартапи, що зосереджені на інтеграції LiNbO₃ з кремнієвою фотонікою, HyperLight (США) та Lightium (Швейцарія), залучили разом $44 мільйони у 2023 році optics.org. Ця новина про фінансування була помітною, оскільки підкреслює тенденцію: додавання нових матеріалів до кремнієвої фотоніки для подолання обмежень продуктивності. Ці компанії рекламують модулятори, які можуть працювати з вищою лінійністю та в широкому діапазоні довжин хвиль (від видимого до середнього ІЧ) з дуже низькими втратами optics.org. Найближче застосування – це надшвидкі модулятори для зв’язку або спеціалізовані пристрої для квантової та РФ фотоніки. Головна думка полягає в тому, що інвестиційна спільнота також підтримує інновації в матеріалах у фотоніці, а не лише очевидні стартапи з трансиверами. Це ознака того, що навіть досягнення у науці про матеріали (наприклад, TFLN на ізоляторі) можуть швидко переходити у стартапи та продукти в цій галузі.
Оновлення стандартів і консорціумів (2024–25): Відбулися зрушення на фронті стандартизації. Continuous-Wave WDM MSA (консорціум, що визначає стандартні модулі джерел світла для оптики з сумісною упаковкою) представив початкові специфікації для спільних лазерних джерел, які можуть живити кілька фотонних чипів. Це важливо для забезпечення сумісності між різними виробниками для оптики з сумісною упаковкою. Також консорціум UCIe (для з’єднання чиплетів) створив оптичну робочу групу для розгляду можливості стандартизації оптичних з’єднань чиплетів. Тим часом організації, такі як COBO (Consortium for On-Board Optics) та CPO Alliance, проводили саміти (наприклад, на OFC 2024), обговорюючи найкращі практики для оптики з сумісною упаковкою ansys.com. Усе це свідчить про те, що галузь визнає необхідність гармонізувати інтерфейси і уникати фрагментації, яка може сповільнити впровадження. Останні новини від IEEE також вказують на прогрес у стандартах Ethernet 1.6T і пов’язаних оптичних інтерфейсах, які передбачають використання кремнієвої фотоніки.
Випуски продуктів: З боку продуктів ми бачимо появу реального обладнання:
- 800G підключаємі модулі: Декілька виробників (Intel, Marvell/Inphi тощо) у 2024 році почали постачати зразки 800G QSFP-DD та OSFP модулів, які використовують кремнієву фотоніку. Ймовірно, вони будуть впроваджені у комутаторах і мережах у 2025 році.
- Демо-набори CPO: Такі компанії, як Ranovus та IBM, продемонстрували набори для розробки оптики з сумісною упаковкою – це попередники комерційних продуктів CPO. Наприклад, дослідницький прототип комутатора з сумісною упаковкою від IBM був продемонстрований у роботі, а Ranovus має CPO-модуль з 8×100G довжинами хвиль.
- Продукти кремнієвої фотонної лідар-технології: Innovusion (Китай) та Voyant Photonics (США) оголосили про прогрес у своїх кремнієво-фотонних лідар-системах. Останній лідар Innovusion для автомобілів використовує деякі кремнієво-фотонні компоненти для досягнення FMCW за конкурентною ціною. Voyant, стартап із досліджень Колумбійського університету, вже продає крихітний твердотільний лідар-модуль на основі кремнієвої фотоніки для використання у дронах і роботах.
- Оптичні I/O чиплети: До середини 2025 року Ayar Labs планує надати свої TeraPHY optical I/O chiplet та SuperNova laser source для раннього тестування клієнтами, забезпечуючи 8 Тбіт/с оптичне з’єднання для HPC-систем. Якщо все піде за планом, це може стати одним із перших впроваджень оптичного I/O у комп’ютерній системі (ймовірно, у державній лабораторії або пілотному суперкомп’ютері у 2025–26 роках).

Потік останніх новин малює картину галузі, яка швидко розвивається за багатьма напрямками: від проривів у швидкості (1.6T оптика) до великих стратегічних кроків (аутсорсинг Intel, великі раунди фінансування) та перших у своєму роді впроваджень (оптичні рушії для ШІ). Це захопливий час, оскільки ці події свідчать, що кремнієва фотоніка переходить від перспективної технології до комерційної реальності з дедалі більшим впливом на продукти та індустрії.

Для широкої аудиторії головний висновок з усіх цих новин полягає в тому, що кремнієва фотоніка — це не віддалена обіцянка, а реальність сьогодення. Компанії вкладають у неї гроші та ресурси, реальні продукти вже постачаються, і кожен квартал приносить нові досягнення, які перевершують попередні рекорди. Це галузь, що стрімко розвивається, і навіть технічно підковані читачі можуть здивуватися, як швидко з’явилися такі речі, як «оптичні чиплети» чи «модулі на 1,6 терабіта». Новини також підкреслюють, що це глобальна гонка — з активністю у США, Європі та Азії — і що вона охоплює все: від глибокотехнологічних стартапів до найбільших чипових компаній і мережевих провайдерів.

Майбутні перспективи та прогнози

Дивлячись уперед, майбутнє кремнієвої фотоніки виглядає надзвичайно перспективним, з потенціалом перевизначити обчислення та комунікації у наступному десятилітті. Ось деякі прогнози та очікування щодо майбутнього:

Широке впровадження в обчисленнях: До кінця 2020-х років можна очікувати, що кремнієва фотоніка стане стандартною функцією у високопродуктивних обчислювальних системах. Як зазначалося, у 2026–2027 роках повинні з’явитися перші CPU, GPU або AI-акселератори з інтегрованим оптичним I/O nextplatform.com. Спочатку це може бути у спеціалізованих ринках (суперкомп’ютери, системи для високочастотного трейдингу, передові AI-кластери), але це прокладе шлях до ширшого впровадження. Коли технологія доведе свою ефективність і обсяги виробництва зростуть, оптичний I/O може з’явитися і в більш масових серверах та пристроях у 2030-х роках. Уявіть собі сервери у стійках, де кожен CPU має оптичні порти безпосередньо на корпусі, підключені до оптичного комутатора у верхній частині стійки; це може стати звичним явищем. Проблема вузького місця пам’яті також може бути вирішена за допомогою оптичних з’єднань — наприклад, оптичне підключення модулів пам’яті до процесорів для забезпечення більшої пропускної здатності на відстані (деякі дослідники говорять про «оптичну дезагрегацію пам’яті» для великих спільних пулів пам’яті). Підсумовуючи, дата-центр майбутнього (а отже, і хмарні сервіси майбутнього) ймовірно буде побудований на основі оптичних інтерконектів на всіх рівнях, що стане можливим завдяки кремнієвій фотоніці.
Терабітні мережі для всіх: Пропускна здатність мережевих з’єднань і надалі стрімко зростатиме. Йдеться про 1,6 Тб/с, 3,2 Тб/с, навіть 6,4 Тб/с оптичні трансивери в одному модулі вже на початку 2030-х років. Ці швидкості вражають уяву – з’єднання на 3,2 Тб/с може передати фільм у 4K за частку мілісекунди. Хоча такі швидкості використовуватимуться у магістралях дата-центрів і телеком-мережах, вони опосередковано приносять користь і споживачам (швидший інтернет, надійніші хмарні сервіси). До 2035 року аналітики прогнозують, що ринок фотонних інтегральних схем сягне понад $50 млрд, переважно завдяки цим трансиверам для AI та дата-центрів optics.org. Можливо, ми побачимо, як 800G та 1,6T стануть новими 100G, тобто стануть основними лініями у мережах. А зі зростанням обсягів вартість одного біта знижуватиметься, роблячи високошвидкісне з’єднання дешевшим і повсюдним. Цілком імовірно, що навіть споживчі пристрої (наприклад, VR-гарнітура, якій потрібен надвисокошвидкісний канал до ПК чи консолі) можуть використовувати оптичний USB або оптичний Thunderbolt-кабель для передачі десятків чи сотень гігабіт без затримок і втрат.
Революція у телекомунікаціях: У телекомі кремнієва фотоніка допоможе реалізувати повністю оптичні мережі з набагато вищою ефективністю. Когерентна оптична комунікація з інтегрованою фотонікою, ймовірно, масштабуватиметься до понад 1 Тб/с на довжину хвилі (з використанням складних модуляцій і, можливо, інтегрованих DSP у трансиверах). Це може зробити багатотерабітні оптичні канали економічно вигідними, зменшуючи кількість необхідних лазерів/волокон. Кремнієва фотоніка також зробить переналаштовувані оптичні мультиплексори (ROADM) та інше мережеве обладнання компактнішим і енергоефективнішим, що, у свою чергу, сприятиме впровадженню мереж 5G/6G з більшою пропускною здатністю та кращої інфраструктури «волокно до дому». Окрема сфера для спостереження — це інтегровані лазери для кабельного ТБ / волоконного доступу: дешеві налаштовувані лазери на кремнії можуть дозволити кожному дому мати симетричний канал на 100G, наприклад. Інтегруючи оптичні функції, оператори можуть спростити центральні офіси та головні станції. У підсумку це означатиме ще швидший і надійніший інтернет за потенційно нижчою ціною, а за лаштунками працюватимуть кремнієво-фотонні чипи.
AI-обчислення та оптичні рушії: У сфері AI, якщо компаніям на кшталт Lightmatter і Lightelligence вдасться реалізувати свої ідеї, ми можемо стати свідками появи перших оптичних копроцесорів у дата-центрах. Вони прискорюватимуть матричні множення чи графові аналітики за допомогою світла, потенційно забезпечуючи стрибок продуктивності на ват. Цілком можливо, що вже за 5 років у деяких дата-центрах з’являться стійки з оптичними AI-акселераторами поряд із GPU, які виконуватимуть спеціалізовані завдання надзвичайно швидко (наприклад, ультра-швидкий інференс для сервісів у реальному часі). Навіть якщо повністю оптичні комп’ютери залишаться дещо обмеженими, гібридний електро-оптичний підхід (електроніка для логіки, фотоніка для масового передавання даних і операцій множення-накопичення) може стати ключовою стратегією для подальшого масштабування AI. Зменшуючи тепловиділення та споживання енергії, фотоніка допоможе зберегти можливість навчання AI-моделей у міру їх зростання до трильйонів параметрів. Коротко кажучи, кремнієва фотоніка може стати тією «секретною приправою», яка дозволить збільшити розмір/навчальні дані AI-моделей у 1000 разів без перевантаження енергосистеми.
Вплив на споживчі технології: Хоча більшість кремнієвої фотоніки наразі використовується у великих обчислювальних системах (дата-центри, мережі), зрештою вона просочиться у споживчі пристрої. Очевидний кандидат — AR/VR-гарнітури (де потрібно передавати величезні обсяги даних на крихітні дисплеї та камери — оптичні інтерконекти можуть допомогти). Інший приклад — споживчий LiDAR або датчики глибини: майбутні смартфони чи носимі пристрої можуть мати крихітні кремнієво-фотонні сенсори для моніторингу здоров’я (як планувала Rockley Photonics) або для 3D-сканування навколишнього середовища. Mobileye від Intel вже заявила, що її кремнієво-фотонний LiDAR буде в автомобілях, тож наприкінці 2020-х ваш новий автомобіль може мати інтегрований фотонний чип, який тихо керує сенсорами автономного водіння tanaka-preciousmetals.com. З часом, коли ціни знизяться, більше таких сенсорів з’явиться у повсякденних пристроях (уявіть смарт-годинник, який використовує кремнієво-фотонний сенсор для неінвазивного моніторингу глюкози чи аналізу крові за допомогою оптичної спектроскопії прямо на зап’ясті — компанії вже працюють над цим). Навіть у преміум аудіо/відео оптичні чипи можуть покращити камери (LiDAR для фокусування чи 3D-мапінгу у фотографії) або забезпечити голографічні дисплеї, модуляцією світла на мікроскопічному рівні (дещо спекулятивно, але не неможливо, оскільки просторові світлові модулятори на кремнії стають кращими). Тож за десятиліття споживачі можуть навіть не підозрювати, що користуються кремнієвою фотонікою у своїх гаджетах, так само як сьогодні ми всюди використовуємо MEMS-датчики, не замислюючись про це.
Фотоніка у квантовій сфері: Якщо зазирнути ще далі у майбутнє, квантові фотонні технології можуть дозріти. Якщо PsiQuantum чи інші досягнуть успіху, ми можемо отримати фотонний квантовий комп’ютер, який перевершить класичні суперкомп’ютери для певних задач — можливо, з мільйонами переплутаних фотонів, що обробляються на чипі. Це було б грандіозним досягненням, мабуть, таким же трансформаційним, як і перші електронні комп’ютери. Хоча це може бути вже після 2030 року, проміжний прогрес може дати квантові симулятори або мережеві квантові комунікаційні системи на основі кремнієвої фотоніки. Наприклад, захищені квантові комунікаційні лінії (QKD-мережі) можуть бути розгорнуті у міських мережах із використанням стандартизованих кремнієво-фотонних QKD-передавачів у дата-центрах. Також є потенціал для квантових сенсорів на чипі (наприклад, оптичних гіроскопів із квантовою чутливістю) для використання у навігації чи науці.
Безперервні дослідження та нові горизонти: Сфера кремнієвої фотоніки продовжить розвиватися. Дослідники вже вивчають 3D-інтеграцію — складання фотонних чипів разом з електронними для ще тіснішого поєднання (деякі досліджують мікро-бампінг або техніки з’єднання, щоб розмістити фотонний інтерпозер під CPU, наприклад). Також обговорюється оптична мережа на чипі (ONoC), де замість або на додаток до електричних мереж-на-чипі процесори використовують світло для зв’язку між ядрами. Якщо колись багатоядерні CPU використовуватимуть внутрішні оптичні мережі, це може усунути вузькі місця пропускної здатності всередині чипа (це ще далека перспектива, але концептуально доведена у лабораторіях). Нанофотоніка також може стати у пригоді: плазмонні або нанооптичні компоненти, що працюють на дуже високих швидкостях або мають надзвичайно малі розміри, потенційно інтегровані з кремнієвою фотонікою для певних задач (наприклад, ультракомпактні модулятори). І хто знає, можливо, колись хтось досягне священного Грааля — кремнієвого лазера завдяки якомусь хитрому матеріальному рішенню — що справді спростить фотонну інтеграцію.
Огляд ринку та галузі: З економічної точки зору, ймовірно, ми побачимо бум ринку кремнієвої фотоніки. За даними IDTechX, до 2035 року очікується, що ринкова вартість складе близько 54 мільярдів доларів optics.org. Варто зазначити, що хоча основну частку становитимуть дата-комунікації, близько ~$11 мільярдів може припадати на недатні застосування (телеком, лідар, сенсори, квантові технології тощо) optics.org. Це означає, що переваги технології будуть розподілені між багатьма секторами. Ми також можемо побачити значні зміни в індустрії або партнерства: наприклад, чи може технологічний гігант придбати один із стартапів-єдинорогів у сфері фотоніки (уявіть, що Nvidia купує Ayar Labs або Lightmatter, щоб забезпечити лідерство в оптичних обчисленнях)? Це можливо, оскільки ставки зростають. Більше того, міжнародна конкуренція може посилитися – ми можемо побачити значні інвестиції з боку урядів для забезпечення лідерства (подібно до того, як індустрія напівпровідників вважається стратегічною). Кремнієва фотоніка може стати ключовою частиною національних технологічних стратегій, що ще більше стимулюватиме фінансування НДДКР та інфраструктури.

У ширшому сенсі, якщо подивитися глобально, майбутнє з кремнієвою фотонікою — це майбутнє, де межі між обчисленнями та комунікаціями розмиваються. Відстань стає менш обмежувальною — дані можуть передаватися всередині чипа або між містами з однаковою легкістю по оптичних нитках. Це може дозволити архітектури на кшталт розподілених обчислень, де фізичне розташування ресурсів майже не має значення, оскільки оптичні з’єднання забезпечують низьку затримку та високу пропускну здатність. Ми можемо побачити справді дезагреговані дата-центри, де обчислення, зберігання та пам’ять оптично з’єднані, як блоки LEGO. Підвищення енергоефективності завдяки фотоніці також може сприяти більш екологічній ІКТ, що важливо, оскільки енергоспоживання цифрової інфраструктури зростає.

Як сказав один із ветеранів галузі, «шлях до масштабування кремнієвої фотоніки такий же захопливий, як і складний». laserfocusworld.com Наступні роки, без сумніву, принесуть перешкоди, але існує колективна рішучість в академічних і промислових колах їх подолати. Завдяки співпраці та інноваціям — поєднуючи матеріалознавство, напівпровідникову інженерію та фотоніку — експерти впевнені, що ми впораємося з цими викликами й розкриємо повний потенціал кремнієвої фотоніки laserfocusworld.com. Прогноз на майбутнє полягає в тому, що ця технологія перейде з периферії (з’єднуючи наші пристрої чи підсилюючи спеціалізовані системи) у саму серцевину обчислень і зв’язку. Ми фактично стаємо свідками світанку нової епохи — епохи, в якій інформацію в пристроях і мережах, що лежать в основі сучасного життя, переносить не лише електрон, а й світло. І це справді революційний зсув, який розгортатиметься в наступному десятилітті й далі.

Джерела: Визначення та переваги кремнієвої фотоніки ansys.com ansys.com; застосування у сенсориці, LiDAR, квантових технологіях ansys.com ansys.com; тенденції в дата-центрах та ШІ laserfocusworld.com, optics.org; цитати експертів та аналітика laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; лідери галузі expertmarketresearch.com; останні новини та інвестиції datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; прогнози на майбутнє optics.org

The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers

Watch this video on YouTube.

Революція кремнієвої фотоніки – технологія світлової швидкості, що змінює ШІ, дата-центри та інше

Що таке кремнієва фотоніка і як вона працює?

Ключові застосування кремнієвої фотоніки