Революцията на силициевата фотоника – светкавично бързи технологии, преобразяващи изкуствения интелект, центровете за данни и още

Какво е силициева фотоника и как работи?

Силициевата фотоника е технология, която използва базирани на силиций фотонни интегрални схеми (PICs) за манипулиране на светлина (фотони) за обработка и комуникация. Казано просто, това означава изграждане на оптични устройства (като лазери, модулятори и детектори) върху силициеви чипове по подобие на електронните схеми. Тези силициеви фотонни чипове могат да изпращат и получават данни чрез светлина, което позволява ултра-бърз трансфер на данни с висока пропускателна способност и ниски енергийни загуби ansys.com. Основните компоненти включват вълноводи (миниатюрни оптични „жици“, които насочват светлината в чипа), модулятори (които кодират данни върху светлинни лъчи), лазери (обикновено добавени чрез други материали, тъй като самият силиций не може да излъчва светлина) и фотодетектори (за преобразуване на входящата светлина обратно в електрически сигнали) ansys.com. Чрез интегрирането им върху силициева платформа инженерите използват добре установеното производство на полупроводници (CMOS), за да масово произвеждат фотонни устройства, комбинирайки скоростта на светлината с мащаба на съвременното производство на чипове ansys.com.

Как работи? Вместо електрически импулси в медни жици, силициевите фотонни схеми използват инфрачервена лазерна светлина, преминаваща през микронни вълноводи. Силицият е прозрачен за инфрачервени дължини на вълната, което позволява на светлината да се разпространява с минимални загуби, когато е ограничена от заобикалящи материали като силициев диоксид с по-нисък показател на пречупване ansys.com ansys.com. Данните се кодират върху тези светлинни вълни чрез модулятори, които могат бързо да променят интензитета или фазата на светлината. В другия край фотодетекторите на чипа преобразуват оптичните сигнали обратно в електрическа форма. Тъй като светлината осцилира с честоти много по-високи от електрическите сигнали, оптичните връзки могат да пренасят много повече данни в секунда от електрическите жици. Едно малко влакно или вълновод може да предава десетки или стотици гигабита в секунда, а чрез използване на множество дължини на вълната (плътно вълново мултиплексиране), едно влакно може да пренася терабити данни. На практика силициевата фотоника позволява комуникация на чипа или между чипове със скорости като 100 Gb/s, 400 Gb/s или повече, което иначе би изисквало много медни линии или просто би било невъзможно на по-големи разстояния ansys.com optics.org.

Силициевите фотонни устройства са компактни, бързи и енергийно ефективни. Светлината може да се движи през вълноводи с много ниско съпротивление (без електрически капацитет или проблеми с нагряването, които се появяват при медта на високи скорости), което означава потенциално по-ниска консумация на енергия за пренос на данни. Един анализ отбелязва, че оптичните връзки могат драстично да облекчат тесните места при преноса на данни и да намалят топлината във високопроизводителни системи – „оптичните връзки, възможни благодарение на силициевата фотоника, са единственият мащабируем път напред“ за справяне с експлозивно нарастващите изисквания за пропускателна способност laserfocusworld.com. Накратко, силициевата фотоника съчетава ниската цена и възможността за масово производство на силициевите чипове с физиката на светлината, създавайки „схемотехника за фотони“ върху чип ansys.com. Тази технология ни позволява да пренасяме данни буквално със скоростта на светлината в ситуации, където традиционната електроника достига своите граници.

Ключови приложения на силициевата фотоника

Силициевата фотоника започва във фибро-оптичните комуникации, но днес е многофункционална платформа, която намира приложение в много авангардни области. Поради високата си скорост и енергийна ефективност, всяка сфера, която трябва да прехвърля огромни количества данни (или да контролира светлината с прецизност), е потенциален кандидат. Ето някои от ключовите приложения:

Дейта центрове и високоскоростни облачни мрежи

Едно от най-важните приложения е вътре в дейта центровете и суперкомпютрите, където силициевата фотоника отговаря на спешната нужда от по-бързи и по-ефективни връзки. Съвременните облачни и хиперскалиращи дейта центрове обработват огромни потоци от данни между сървъри, шкафове и през кампусни мрежи. Медните кабели и традиционните електрически превключватели все повече се превръщат в тесни места – те консумират твърде много енергия и не могат да се мащабират отвъд определени разстояния или скорости (например, 100 Gb/s медни връзки работят само на няколко метра). Силициевите фотонни връзки решават този проблем, използвайки оптични влакна и вградени оптични модули за свързване на сървъри и превключватели с много високи скорости и минимални загуби. Оптични трансивъри, базирани на силициева фотоника, вече заменят или допълват електрическите връзки за комуникация между шкафове и дори вътре в един шкаф tanaka-preciousmetals.com.

Cisco и Intel са пионери в тази област: Cisco вече проектира високоскоростни включваеми оптични трансивъри, използвайки силициева фотоника за свързване на мрежово оборудване expertmarketresearch.com. Intel също така използва силициева фотоника за подобряване на свързаността в центровете за данни, доставяйки милиони 100G оптични трансивърни чипове и сега увеличава производството на 200G, 400G и тества 800G оптични модули tanaka-preciousmetals.com. Мотивацията е ясна – с удвояването на скоростите на предаване от 100G на 200G и 400G, обхватът на медните кабели намалява драстично. „Когато влезете в център за данни днес, ще видите 100 Gb/s медни кабели, които свързват сървърите с топ-оф-рак суича… Тези кабели са подходящи за около четири метра. Но всичко извън рака вече използва оптика,“ отбелязва Робърт Блум, старши директор по фотоника в Intel, добавяйки, че „с увеличаването на скоростите на предаване до 200 или 400 Gb/s, обхватът на медта става много по-къс и започваме да виждаме тенденцията оптиката да стига чак до сървъра.“ tanaka-preciousmetals.com В клъстери за високопроизводителни изчисления (HPC) и AI суперкомпютри, където хиляди процесори се нуждаят от връзки с ниска латентност, оптичните интерконекти осигуряват честотната лента, необходима за захранване на всички тези чипове с данни ansys.com, laserfocusworld.com. Чрез въвеждане на фотоника върху суича и дори в процесорните пакети (т.нар. коопакетирана оптика), бъдещите мрежи на центровете за данни ще постигнат много по-висока пропускателна способност. Всъщност, 51,2 Tb/s суичващи чипове с интегриран оптичен вход/изход са на хоризонта, а прототипи вече са демонстрирани tanaka-preciousmetals.com.

Ползите за центровете за данни са значителни: по-ниска консумация на енергия (оптичните връзки губят много по-малко енергия като топлина в сравнение с преноса на електрони през мед при десетки GHz), по-висока плътност (много оптични канали могат да бъдат мултиплексирани без притеснения за електромагнитни смущения) и по-голям обхват (оптичните сигнали могат да пътуват километри при нужда). Това означава, че силициевата фотоника помага на центровете за данни да увеличават производителността си, без да бъдат ограничавани от лимитите на междусистемните връзки. Един пазарен анализатор отбелязва, че центровете за данни, ориентирани към AI, създават безпрецедентно търсене на високопроизводителни оптични трансивъри, като твърди, че „силициевата фотоника и PIC са в челните редици на тази революция, благодарение на способността си да предават данни със скорости от 1,6 Tbps и повече.“ optics.org На практика един фотонен чип с големината на нокът може да съдържа десетки лазерни канали, които заедно пренасят терабити данни – критично за инфраструктурата на облака от следващо поколение.

Ускоряване на AI и машинното обучение

Бумът на AI и машинното обучение е специален случай на приложение в центровете за данни – заслужава отделно споменаване, защото AI създава уникални изисквания и стимулира нови приложения на силициевата фотоника. Обучението на напреднали AI модели (като големи езикови модели, които захранват чатботове) включва масивни паралелни изчисления, разпределени между много GPU или специализирани AI ускорители. Тези чипове трябва да обменят огромни количества данни за задачи като обучение на модели, често насищайки конвенционалните електрически връзки. Силициевата фотоника предлага двойно предимство за AI: високоскоростни междусистемни връзки и дори потенциал за оптични изчисления.

От страна на интерконектите се разработват оптични връзки за директно свързване на AI ускорителни чипове или памет чрез светлина (понякога наричано оптично I/O). Като заменят традиционната сървърна бекплейн или комуникацията GPU-към-GPU с оптично влакно, AI системите могат значително да намалят латентността и консумацията на енергия при комуникация. Например, стартъпи като Ayar Labs създават оптични I/O чиплети, които се поставят до процесорите и предават данни чрез светлина, елиминирайки нуждата от гъсти снопове медни писти. През 2024 г. Ayar Labs демонстрира оптичен чиплет, осигуряващ 8 Tbps пропускателна способност чрез 16 дължини на вълната – знак за това как може да изглеждат следващото поколение AI интерконекти businesswire.com. Големите производители на чипове обръщат внимание: Nvidia, AMD и Intel инвестират в Ayar Labs като част от кръг на финансиране от 155 милиона долара, залагайки, че оптичните интерконекти ще бъдат ключови за мащабирането на бъдещия AI хардуер nextplatform.com. Както се пошегува един журналист, ако не можете да постигнете достатъчна скорост само чрез ускоряване на чиповете, „следващото най-добро нещо, в което да инвестирате, вероятно е някаква форма на оптично I/O.“ nextplatform.com

Освен за пренос на данни между AI чипове, силициевата фотоника също позволява оптично изчисление за AI. Това означава извършване на определени изчисления (като матрични умножения в невронни мрежи) чрез светлина вместо електричество, което потенциално може да преодолее някои от ограниченията по скорост и енергия на днешните електронни AI ускорители. Компании като Lightmatter и Lightelligence са създали прототипи на фотонни процесори, които използват интерференция на светлина в силициеви вълноводи за паралелно изчисление на резултати. В края на 2024 г. Lightmatter набра впечатляващ кръг Series D от 400 милиона долара (като така оценката ѝ достигна 4,4 милиарда долара), за да развие своята технология за оптично изчисление nextplatform.com. Макар и все още в начален етап, тези фотонни AI ускорители обещават изключително бързо, с ниска латентност изпълнение на невронни мрежи с много по-ниска консумация на енергия, тъй като фотоните генерират минимална топлина в сравнение с милиардите превключващи се транзистори.

Като цяло, с нарастването на AI моделите по размер и сложност (и необходимостта от клъстери с десетки хиляди чипове), силициевата фотоника се разглежда като „смяна на парадигмата“, която може да преодолее комуникационните тесни места в AI инфраструктурата laserfocusworld.com. Тя предлага начин за линейно мащабиране на пропускателната способност между процесорите според търсенето, с което електрическите връзки се затрудняват. Наблюдателите в индустрията прогнозират, че оптичните технологии (като коопакетирана оптика, оптични връзки между чипове и евентуално фотонни изчислителни елементи) ще станат стандарт в AI системите през следващите години – не просто нишов експеримент. Всъщност, според една оценка, AI центровете за данни ще растат толкова бързо (50% средногодишен ръст на консумацията на енергия), че до 2030 г. те може да станат неустойчиви с настоящите електрически I/O, което прави силициевата фотоника „незаменима част от бъдещата ни инфраструктура“, за да остане AI мащабируем laserfocusworld.com.

Телекомуникации и мрежи

Силициевата фотоника има своите корени в телекомуникациите и продължава да революционизира начина, по който предаваме данни на големи разстояния. Във фиброоптичните телекомуникационни мрежи – независимо дали става дума за гръбнака на Интернет, подводни кабели или градски и достъпни мрежи – интегрираната фотоника се използва за създаване на оптични трансивъри, които са по-малки, по-бързи и по-евтини. Традиционните оптични комуникационни системи често разчитаха на дискретни компоненти (лазери, модулятори, детектори, сглобявани поотделно), но силициевата фотонна интеграция може да постави много от тези компоненти на един чип, подобрявайки надеждността и намалявайки разходите за сглобяване tanaka-preciousmetals.com.

Днес оптичните трансивърни модули, използващи силициева фотоника, са често срещани при свързването на центрове за данни и все по-често се внедряват в телекомуникационната инфраструктура за 100G, 400G и нагоре. Например компании като Infinera и Cisco (Acacia) са разработили кохерентни оптични трансивъри със силициева фотоника за 400G и 800G връзки в телекомуникационните мрежи. Широколентовите и 5G/6G безжични мрежи също се възползват – оптичните връзки, които свързват клетъчни кули или пренасят fronthaul/backhaul данни, могат да станат по-ефективни със силициева фотоника. Intel подчертава, че силициевата фотоника ще играе роля в „разгръщането на следващо поколение 5G с по-малки форм-фактори и по-високи скорости – от 100G днес до 400G и повече утре“ expertmarketresearch.com. Възможността за интегриране на десетки лазерни дължини на вълната върху един чип е полезна за системите с плътно мултиплексиране по дължина на вълната (DWDM), които телекомуникационните оператори използват, за да поберат повече канали във всяко влакно. През 2023 г. китайската компания InnoLight дори демонстрира 1,6 Tb/s оптичен трансивър (използвайки множество дължини на вълната и усъвършенствана модулация) – знак, че мултитерабитовите оптични връзки са на близък хоризонт optics.org.

Друго приложение в мрежите е в основното маршрутизиращо и комутационно оборудване. Висококласните маршрутизатори и оптични комутационни платформи започват да използват силициеви фотонни схеми за функции като оптично превключване, маршрутизиране на сигнали и дори филтриране на дължини на вълната върху чип. Например, са прототипирани големи силициево-фотонни комутационни матрици, които използват силициеви MEMS или термо-оптични ефекти за бързо превключване на светлинни пътища, което потенциално позволява изцяло оптично комутационно превключване. Те биха могли в бъдеще да се използват в мрежите на центровете за данни за оптично преконфигуриране на връзките в движение (Google намекна за използване на оптични превключватели в някои от своите AI клъстери) nextplatform.com.

Като цяло, в телекомуникациите целите са по-голям капацитет и по-ниска цена на бит. Силициевата фотоника помага чрез мащабиране на капацитета на оптичните влакна (100G → 400G → 800G и 1.6T на дължина на вълната) и чрез намаляване на производствените разходи посредством CMOS фаб процеси. Показателно е, че силициевата фотонична дивизия на Intel, преди да бъде преструктурирана, е доставила над 8 милиона фотонни трансивърни чипа от 2016 до 2023 г. за центрове за данни и мрежови приложения optics.org. А индустриалните колаборации се увеличават: например, Intel в края на 2023 г. обяви, че ще прехвърли производството на трансивъри към Jabil (договорен производител), за да мащабира още повече производството optics.org. Междувременно, гиганти в оптичните компоненти като Coherent (преди II-VI) и традиционни телекомуникационни доставчици (Nokia, Ciena и др.) инвестират в силициева фотоника за следващо поколение оптични модули optics.org. Технологията се превръща в основен елемент както на физическата инфраструктура на Интернет, така и на бързо развиващата се екосистема на 5G/6G комуникациите.

Сензори и LiDAR

Силициевата фотоника не е само за комуникации – тя също така позволява нови видове сензори, използвайки прецизен контрол на светлината върху чипа. Една вълнуваща област е биохимично и екологично сензориране. Силициевите фотонни сензори могат да откриват минимални промени в показателя на пречупване или абсорбция, когато проба (като капка кръв или химически изпарения) взаимодейства с насочен светлинен лъч. Например, силициев фотонен чип може да има малък пръстенов резонатор или интерферометър, който променя честотата си, когато определени молекули се свържат с него. Това позволява лабораторно-на-чип сензориране на биомаркери – протеини, ДНК, газове и др. – с висока чувствителност и потенциално на ниска цена. Такива фотонни биосензори могат да се използват за медицинска диагностика, екологичен мониторинг или дори за приложения като „изкуствен нос“ optics.org optics.org. Предимствата на миниатюризацията и интеграцията са ключови: един силициев фотонен сензорен чип може да интегрира светлинни източници, сензорни елементи и фотодетектори, предлагайки компактен, здрав сензор вместо обемисто оптично лабораторно оборудване. Изследванията в областта на силициевия нитрид фотониката (вариант, който работи по-добре за видимия спектър) отварят още повече приложения за сензориране, тъй като SiN може да насочва видима светлина за сензориране на неща като флуоресценция или Раман сигнали, които чистият силиций не може.

Друго бързо развиващо се приложение е LiDAR (Light Detection and Ranging) за автономни превозни средства, дронове и роботи. LiDAR системите излъчват лазерни импулси и измерват отразената светлина, за да картографират разстоянията – по същество „3D лазерно зрение“. Традиционните LiDAR устройства често разчитат на механично сканиране и отделни лазери/детектори, което ги прави скъпи и донякъде обемисти. Силициевата фотоника предлага начин за изграждане на LiDAR върху чип: интегриране на елементи за насочване на лъча, разделители, модулятори и детектори монолитно. Силициевият фотоничен LiDAR може да използва твърдотелно насочване на лъча (например, оптични фазови решетки), за да сканира околната среда без движещи се части. Това драстично намалява размера и цената на LiDAR устройствата. Всъщност Mobileye на Intel е посочила, че използва силициеви фотонни интегрални схеми в своите следващи поколения LiDAR сензори за автономно шофиране около 2025 г. tanaka-preciousmetals.com. Такава интеграция може да намали цената на LiDAR и да позволи масово внедряване в автомобилите. LiDAR, базиран на силициева фотоника, може също да постигне по-бързо сканиране и по-висока резолюция чрез използване на множество дължини на вълната или когерентни техники за детекция, вградени в чипа. Като допълнително предимство, тези интегрирани решения обикновено консумират по-малко енергия – важен фактор за електрическите превозни средства.

Според Ansys, „LiDAR решенията, базирани на силициева фотоника, са по-компактни, използват по-малко енергия и са по-евтини за производство от системите, изградени от отделни компоненти.“ ansys.com Това накратко обяснява защо компании – от стартиращи до технологични гиганти – се надпреварват да разработват фотонен LiDAR. Вече виждаме прототипи на FMCW LiDAR (LiDAR с честотно-модулирана непрекъсната вълна), който изисква деликатни фотонни схеми като настройваеми лазери и интерферометри. Силициевата фотоника е естествена платформа за това, а експертите предвиждат, че интегрираната фотоника ще бъде ключова за реализирането на FMCW LiDAR в мащаб (заради големия му обхват и устойчивостта на смущения) optics.org optics.org. В близко бъдеще очаквайте автомобили и дронове, оборудвани с малки, базирани на чип LiDAR устройства с висока производителност – директен резултат от иновациите в силициевата фотоника.

Отвъд LiDAR, други приложения за сензори включват гироскопи и инерционни сензори (използване на пръстеновидни лазерни гироскопи върху чип за навигация), и спектрометри (интегрирани оптични спектрометри за химичен анализ). Общото между тях е, че силициевата фотоника внася прецизността на оптичните измервания в миниатюризиран, производим формат. Това отваря нови възможности в потребителската електроника (представете си оптичен здравен сензор в смарт часовник), индустриалния мониторинг и научните инструменти.

Квантови изчисления и фотонни квантови технологии

В стремежа към квантови компютри, фотоните (частици светлина) играят уникална роля. За разлика от електроните, фотоните могат да пътуват на дълги разстояния, без да взаимодействат с околната среда (полезно за предаване на квантова информация), а някои схеми за квантови изчисления използват фотоните като самите кубити. Силициевата фотоника се утвърди като водеща платформа за изследвания в областта на квантовите изчисления и мрежи.

Няколко стартиращи компании и изследователски групи работят върху фотонни квантови компютри, които използват базирани на силиций фотонни схеми за генериране и манипулиране на кубити, кодирани в светлина. Например, PsiQuantum, стартираща компания с голямо финансиране, си партнира с полупроводникова фабрика, за да изгради мащабен квантов компютър, използвайки хиляди силициеви фотонни канали за кубити. Идеята е да се интегрират устройства като единични фотонни източници, делители на лъча, фазови изместватели и фотонни детектори върху чип, за да се извършва квантова логика с фотони. Предимството на силициевата фотоника тук е мащабируемостта – тъй като използва CMOS производство, може (в принцип) да се създадат много сложни квантови фотонни схеми със стотици или хиляди компоненти, което е много по-трудно при други подходи за квантов хардуер. Всъщност, изследователи наскоро демонстрираха силициеви фотонни чипове с хиляди компоненти, работещи заедно за манипулиране на квантова светлина nature.com.

Силициевата фотоника също така позволява квантови мрежи – сигурни комуникации чрез квантово разпределение на ключове (QKD) и заплетени фотони – като предоставя платформа за компактни, стабилни оптични квантови предаватели и приемници. Освен това, някои квантови сензорни технологии (като оптични квантови жироскопи или еднофотонен LiDAR) могат да използват силициеви фотонни чипове в основата си.

Едно от основните предизвикателства при фотонните квантови изчисления е генерирането на единични фотони при поискване и насочването им с ниски загуби. Интересно е, че същите ограничения (и решения), които важат за класическата силициева фотоника, важат и в квантовата: силицият не лази по природа, така че квантовите фотонни чипове често използват интегрирани нелинейни процеси или източници на квантови точки за създаване на единични фотони, или хибридно интегрират специализирани материали. Ползите обаче са сходни – висока прецизност и миниатюризация. Както отбелязва докладът на Ansys, квантовите компютри използват фотони за изчисления, а управлението на тези фотони с интегрирана фотоника носи предимства по отношение на скорост, точност и разходи ansys.com. На практика, силициевата фотоника може да осигури стабилността и производимостта, необходими за мащабиране на квантовите системи от лабораторни експерименти до реални машини.

Освен в изчисленията, квантовите фотонни сензори (като интерферометри, използващи квантови състояния за допълнителна чувствителност) и квантовите генератори на случайни числа са други области, в които силициевата фотоника оказва влияние. Докато фотонното квантово изчисление все още е в процес на разработка и вероятно е на няколко години от зрелостта си, големите инвестиции в тази област подчертават нейния потенциал. През 2022 г. водещият изследовател проф. Джон Бауърс отбеляза, че силициевата фотоника напредва бързо с много нови приложения, включително квантови, на хоризонта nature.com. Може да се предвиди, че първите квантови компютри в голям мащаб всъщност може да са оптични, изградени върху силициеви фотонни чипове – един завладяващ пълен кръг, при който технология, първоначално разработена за телекомуникации, може да позволи следващия скок в изчисленията.

Текущи тенденции и развития (2025)

Към 2025 г. силициевата фотоника набира огромна инерция. Редица тенденции се обединиха, за да изведат тази технология от лабораториите и нишовите приложения в основния поток на технологичната индустрия:

Тесни места при предаването на данни и съвместно опакована оптика: Ненаситното търсене на данни (особено от AI и облачни услуги) превърна електрическите връзки в сериозно тясно място. Вече сме на етап, в който при всяко удвояване на пропускателната способност на връзката, трябва да намалите наполовина дължината на медния кабел, за да запазите целостта на сигнала nextplatform.com – неустойчив компромис. Тази спешност насочи вниманието към подходи като съвместно опакована оптика (CPO), при които оптичните модули се поставят непосредствено до ASIC превключвателите или процесорните чипове, за да се елиминира почти изцяло електрическото разстояние на предаване. През 2023 г. няколко компании демонстрираха съвместно опакована оптика в превключватели (например прототипите на Broadcom с 25,6 Tb/s и 51,2 Tb/s превключватели с интегрирани лазерни фотонни модули). Индустриалните пътни карти сочат, че 51,2 Tb/s Ethernet превключващи чипове със съвместно опакована силициева фотоника трябва да излязат на пазара през следващата година или две tanaka-preciousmetals.com, а около 2026–2027 г. вероятно ще видим първите CPU/GPU, които използват директно оптичен вход/изход nextplatform.com. С други думи, оптичната ера на връзките е на прага да навлезе в практическите системи. Компании като Intel, Nvidia и Cisco активно разработват CPO решения. Всъщност проектът Tomambe на Intel и други вече са демонстрирали 1,6 Tb/s фотонни модули, интегрирани с превключващи чипове tanaka-preciousmetals.com. Общият консенсус е: след години на изследвания, съвместно опакованата оптика преминава от прототип към продукт, с цел да намали консумацията на енергия на бит, като доближи източниците на светлина до източника на данни (30% енергоспестяване спрямо външните модули, според една оценка laserfocusworld.com).
Вълна от инвестиции и стартираща активност: Последните няколко години бяха свидетели на значителни инвестиции и финансиране в компании за силициева фотоника. Това отразява доверието на индустрията в бъдещето на технологията. Например, в края на 2024 г. Ayar Labs набраха 155 милиона долара в кръг Series D (като така достигнаха статут на „еднорог“ с оценка над 1 милиард долара), за да разширят своите оптични I/O решения; забележително е, че този кръг включваше стратегически инвестиции от Nvidia, AMD и Intel nextplatform.com. По същия начин, стартъпът за фотонни изчисления Lightmatter осигури 400 милиона долара финансиране през 2024 г., за да развие своята оптична AI ускорителна платформа nextplatform.com. Друга компания, Celestial AI, която се фокусира върху оптични интерконекти за AI, не само набра 175 милиона долара в началото на 2024 г., но и придоби портфолиото от интелектуална собственост на Rockley Photonics в областта на силициевата фотоника (някога компания, фокусирана върху фотоника за сензори) за 20 милиона долара през октомври 2024 г. datacenterdynamics.com. Тази придобивка даде на Celestial AI над 200 патента в областта на силициевата фотоника и сигнализира известна консолидация в индустрията – по-малки играчи с ценни фотонни технологии (Rockley бяха разработили усъвършенствани модулятори и интегрирана оптика за носими устройства) се абсорбират от компании, насочени към центрове за данни и AI пазари. Също така видяхме как HyperLight и Lightium, два стартъпа, специализирани в тънкослойни литиево-ниобатни фотонни чипове, привлякоха общо 44 милиона долара инвестиции през 2023 г. optics.org, което подчертава интереса към нови материали за подобряване на силициевата фотоника (TFLN модуляторите могат да предложат по-високи скорости и ниски загуби). Като цяло, финансирането от рисков капитал и корпоративната подкрепа за компании в областта на силициевата фотоника са на рекордно високо ниво, което отразява осъзнаването, че оптичните технологии са критични за бъдещите полупроводници.
Зреене на технологиите и растеж на екосистемата: Друга тенденция е зреенето на екосистемата на силициевата фотоника. Все повече фабрики и доставчици вече участват. В миналото само няколко играча (като Intel или Luxtera) имаха цялостни възможности. Сега големи полупроводникови фабрики като GlobalFoundries, TSMC и дори STMicroelectronics предлагат производствени линии за силициева фотоника или стандартизирани фотонни PDKs (Process Design Kits) за клиенти ansys.com. Тази стандартизация означава, че стартиращи или по-малки компании могат да проектират фотонни схеми и да ги произвеждат, без да изграждат собствена фабрика – аналогично на начина, по който работят fabless компаниите за електронни чипове. Има редовни мулти-проектни вафелни (MPW) шътъли за фотонни чипове, при които множество дизайни споделят една вафелна партида, което драстично намалява разходите за прототипиране. Индустриални групи работят по стандартизирани решения за опаковане (оптични I/O интерфейси, методи за закрепване на влакна), така че фотонните чипове да могат да се интегрират по-лесно в продукти. Създаването на Американския институт за производство на интегрирана фотоника (AIM Photonics) беше голям тласък: този публично-частен консорциум създаде фабрика и линия за опаковане на силициева фотоника в Ню Йорк и наскоро получи $321 милиона, 7-годишна програма (до 2028) за напредък в производството на интегрирана фотоника в САЩ. nsf.gov. По подобен начин в Европа, изследователски институти като IMEC в Белгия и CEA-Leti във Франция предоставят платформи за силициева фотоника и са създали клъстер от фотонни стартъпи. В Китай също се наблюдава засилване на интереса към силициевата фотоника, като компании като InnoLight и Huawei инвестират в местни възможности за фотонни чипове optics.org optics.org. Всички тези развития показват, че силициевата фотоника вече не е експериментална технология – тя се превръща в стандартна част от инструментариума на полупроводниковата индустрия.
По-високи скорости и нови материали: Технологично наблюдаваме бърз напредък в повишаването на производителността на силициевите фотонни устройства. 800G оптични трансивъри вече се тестват, демонстрирани са модули с 1,6 Tb/s optics.org, а се очаква до 2026 г. да има и плъгваеми модули с 3,2 Tb/s optics.org. За да се постигнат тези скорости, инженерите използват всичко – от 16-канално мултиплексиране по дължина на вълната до усъвършенствани формати на модулация – като по същество използват оптичния домейн, за да поберат повече битове. На ниво устройство се интегрират нови материали в силициевата фотоника, за да се преодолеят ограниченията на силиция. Ярък пример е тънкослоен литиев ниобат (TFLN) върху силиций, който осигурява много бързи модулатори с Покелсов ефект и ниски загуби. Това може да позволи модулатори, които обработват над 100 GHz честотна лента на модулация, подходящи за бъдещи 1.6T и 3.2T връзки или дори за квантови приложения optics.org. Стартъпи като HyperLight комерсиализират тези хибридни LiNbO3/Si чипове. Други материали в НИРД включват бариев титанат (BTO) електро-оптични модулатори и материали, легирани с редкоземни елементи, за лазери/усилватели върху чип optics.org. Продължава и работата по интегриране на III-V полупроводници (InP, GaAs) върху силиций за по-добри лазери и оптични усилватели – например, квантово-точкови лазери, директно отглеждани върху силиций, постигнаха голям напредък, решавайки проблеми с надеждността, които възпрепятстваха по-ранните опити nature.com nature.com. Накратко, палитрата от материали за силициевата фотоника се разширява, което ще доведе до по-висока производителност и нови функционалности. Вече виждаме и силициево-фотонни микрокомбове (източници на оптични честотни гребени), използвани за приложения като свръхбърза предаване на данни и прецизна спектроскопия – нещо, което би звучало невероятно преди десетилетие.
Нови приложения и продукти: Наред с основните приложения, през 2025 г. се появяват и нови случаи на употреба. Един от тях е оптичното изчисление за ИИ (обсъдено по-рано), което преминава от изследователски демонстрации към ранни продукти – например, Lightelligence представи фотонен хардуер за ускоряване на ИИ инференция. Друг пример са оптичните връзки между чипове в усъвършенствани опаковки: докато компаниите изследват мултичипови модули и чиплети, оптичните връзки могат да свързват тези чиплети с висока скорост през пакет или интерпозер. Стандарти като UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) дори обмислят оптични PHY разширения. Виждаме и интерес от страна на правителството: DARPA и други агенции имат програми за използване на фотонни интерконекти в отбранителни системи (за висок клас обработка и маршрутизиране на RF сигнали). А в потребителския сектор има спекулации, че в рамките на няколко години оптичният I/O може да се появи в потребителски устройства – например, AR/VR слушалки, използващи силициев фотонен чип за високоскоростни сензорни връзки, или оптичен Thunderbolt кабел за AR очила. Макар че все още не са тук, тези идеи вече са на чертожната дъска.

В обобщение, 2025 заварва силициевата фотоника в повратна точка: значими търговски продукти се появяват (особено в мрежовите технологии), огромни инвестиции се вливат, а екосистемата узрява. Все по-ясно е, че оптиката ще играе основна роля в изчисленията и свързаността занапред. Както каза един индустриален коментатор, през втората половина на това десетилетие мнозина очакват оптичният I/O да премине от пилотни линии към масово производство – „поколението изчислителни двигатели от 2025 може и да няма силициева фотоника, но поколението от 2026 може да има, а това от 2027 почти сигурно ще има“, защото в крайна сметка нямаме избор – „времето на медта изтече.“ nextplatform.com

Предизвикателства и ограничения

Въпреки целия ентусиазъм, силициевата фотоника се сблъсква с няколко предизвикателства и ограничения, които изследователите и инженерите активно се опитват да преодолеят. Това е трансформираща технология, но не и магическо решение – поне засега. Ето основните препятствия:

Интегриране на източници на светлина: Може би най-известното ограничение е, че силицият не е добър в генерирането на светлина. Силицият има индиректна забранена зона, което означава, че не може да действа като лазер или ефективен светодиод. Както пионерът в фотониката Джон Бауърс откровено казва, „Силицият е изключително лош като излъчвател на светлина.“ nature.com Вътрешната му ефективност е почти нулева – само един на милион електрони в силиция ще произведе фотон – докато полупроводници от III-V група като индиев фосфид или галиев арсенид могат да излъчват светлина с почти 100% ефективност nature.com. Това означава, че за да има лазери върху силициев фотонен чип, обикновено трябва да се въведат други материали. Това може да се постигне чрез хибридна интеграция (свързване на парче InP вафер с лазерни диоди към силициевия вафер) или чрез по-нови техники като директно отглеждане на наноструктурирани III-V лазери върху силиций. Напредъкът в тази област е обещаващ: компании и лаборатории (Intel, UCSB и др.) са демонстрирали хибридно интегрирани лазери в мащаб, а наскоро дори квантово-точкови лазери, отгледани върху 300 мм силициеви вафери с добра надеждност nature.com nature.com. Въпреки това, интегрирането на лазери добавя сложност и разходи. Ако лазерът е извън чипа (в отделен лазерен модул, свързан чрез влакно), тогава се сблъсквате с предизвикателството ефективно да се въведе тази светлина в малките вълноводи на чипа. Накратко, вкарването на светлина в чипа е нетривиална задача. Индустрията изследва решения като хетерогенна интеграция (няколко материала върху един чип) и дори нови подходи като електрически напомпвани германиево-силициеви лазери или раманови лазери върху силиций, но те все още са в начален етап. Към 2025 г. повечето силициеви фотонни системи използват или хибридни лазери, или външни лазери, свързани към чипа. Това е една от ключовите области на текущи изследвания.
Производство и добив: Силициевите фотонни схеми могат да се произвеждат в съществуващи фабрики, но имат различни изисквания от електронните чипове. Например, оптиката изисква много прецизен контрол на размерите – вариации от само няколко нанометра в ширината или разстоянието на вълноводите могат да променят дължината на вълната на резонаторите или фазата на светлината. Постигането на висок добив (т.е. последователна производителност при много чипове) е предизвикателство. Освен това, интегрирането на множество видове материали (силиций, силициев нитрид, III-V, метали) в един производствен процес може да внесе сложност. Свързването на влакна към чипа също е предизвикателство за добива и производството; подравняването на миниатюрни оптични влакна към вълноводни фасети с микронен мащаб в момента често изисква скъпо активно подравняване. Някои от тези стъпки все още са полу-ръчни в производството, което не се мащабира добре. Има много работа по подобряване на техниките за опаковане, като използване на стандартизирани единици за закрепване на влакна или включване на решетъчни куплери, които позволяват на влакната да куплират светлина отгоре на чипа по-лесно. Опаковането на комбинирани електронни + фотонни чипове също е сложно – например, ако имате фотонен кристал и електронен ASIC в един и същ пакет, трябва да ги подравните и също така да управлявате топлината (тъй като горещите електроники могат да нарушат фотониката). Ansys отбелязва, че ако електрониката и фотониката споделят чип, производственият подход трябва да балансира нуждите на всяка, а ако са отделни чипове, е необходимо усъвършенствано опаковане – „генерирането на топлина в електрониката може да повлияе на фотониката.“ ansys.com Термичното настройване е друг проблем: много силициеви фотонни филтри и модулятори разчитат на термични ефекти, така че промените в температурата могат да разстроят схемите, изисквайки енергия за стабилизиране. Всичко това усложнява производството и увеличава разходите.
Разходи и обем: Като говорим за разходи – докато силициевата фотоника обещава ниска цена чрез използване на високoобемни силициеви фабрики, днешната реалност е, че тези устройства все още са сравнително нишови и скъпи. Индустрията доставя милиони бройки (като трансивъри в центрове за данни), но за да се намалят наистина разходите, вероятно трябва да се доставят милиарди бройки годишно ansys.com. С други думи, все още не е достигнат мащабът на масовата електроника. Устройствата често изискват и специализирано опаковане (както беше споменато) и тестване, което увеличава разходите. Сегашният силициев фотонен трансивър за центрове за данни може да струва стотици или хиляди долари, което е приемливо за този пазар, но твърде високо за потребителските пазари. Икономиката е малко несигурна при много голям мащаб – както посочва един доклад, големите облачни купувачи се притесняват за надеждността и ценовата структура, ако трябва масово да приемат силициева фотоника, тъй като технологията все още не е достигнала производствената крива на обучение на масовия силиций nextplatform.com. Въпреки това, разходите постепенно се подобряват, а усилия като foundry-стандартни PDK и автоматизация помагат. През следващите няколко години, с увеличаване на обема (движен от AI и центрове за данни), трябва да видим спад на разходите, което от своя страна ще отвори повече пазари (това е добродетелен цикъл, щом веднъж започне). Все пак, през 2025 г. цената на устройство може да бъде ограничаващ фактор за приемането на силициева фотоника в ценово чувствителни приложения.
Консумация на енергия и ефективност: Докато силициевата фотоника може да намали енергията за пренос на данни при много високи скорости, самите устройства все още консумират енергия – например, модулаторите често използват термично настройване или PN преходи, които черпят ток, а лазерите, разбира се, консумират енергия. Има разход за преобразуване на електронни сигнали в оптични и обратно. За да се спести наистина енергия на системно ниво, тези разходи трябва да са по-малки от спестяванията от премахването на дълги електрически връзки. Днешните силициеви фотонни трансивъри са доста енергийно ефективни (от порядъка на няколко пико-джоула на бит за оптичното преобразуване), но има натиск да се постигне още по-ниска консумация, особено ако се използва оптичен I/O на чипа или в паметови шини, където ефективността трябва да е много висока. Един обещаващ подход е използването на електро-оптични материали (като LiNbO3 или BTO), които могат да модулират светлина с много ниско напрежение (и съответно по-ниска консумация), вместо термично настройване. Също така, интегрирането на по-ефективни източници на светлина (като квантово-точкови лазери) може да намали енергийните загуби на лазерите (сегашните distributed feedback лазери често губят много енергия като топлина). Така че, докато силициевата фотоника решава проблема с енергията за връзка на макро ниво, на микро ниво инженерите все още оптимизират консумацията на енергия на всяко устройство поотделно. Добрата новина: дори с настоящата технология, съвместно опакованата оптика може да намали общата енергия за връзка с ~30% спрямо традиционните pluggable решения laserfocusworld.com, а бъдещите подобрения вероятно ще увеличат тези ползи.
Дизайн и инструменти за дизайн: Това е по-малко очевидно предизвикателство, но важно: проектирането на фотонни схеми е нов набор от умения, а EDA (инструменти за автоматизация на електронния дизайн) за фотониката не са толкова развити, колкото тези за електрониката. Симулирането на оптични схеми, особено големи с много компоненти, може да бъде сложно. Променливостта при производството трябва да се отчита при дизайна (може да са необходими термични тунери за коригиране на малки грешки). Необходими са по-добри инструменти за дизайн, които могат да ко-оптимизират електронните и фотонните части на схемата, често наричани EPDA (автоматизация на електронно-фотонния дизайн). Екосистемата наваксва – компании като Synopsys, Cadence и Lumerical (Ansys) имат инструменти за фотонен дизайн – но това все още е развиваща се област. Свързан проблем е липсата на стандарти в някои области: макар много фабрики да предлагат PDK, всяка може да има различни библиотеки с компоненти и параметри. Това може да направи дизайните по-малко преносими в сравнение с електронните. Индустрията се движи към общи стандарти (например формат за обмен на оформление за фотонни схеми или стандартизирани модели на компоненти), но е нужна още работа за оптимизиране на процеса на проектиране. Изграждането на стабилен поток от кадри също е от решаващо значение: необходими са инженери, които разбират както RF/микровълнов аналогов дизайн, така и оптична физика, а те са малко (макар че много университети вече подготвят кадри в тази междудисциплинарна област).
Ограничения в производителността: Въпреки че силициевата фотоника значително подобрява определени показатели, тя има и свои физически ограничения. Оптичните загуби във вълноводите, макар и ниски (~dB/cm), се натрупват в големи схеми, а остри завои или малки елементи могат да увеличат загубите. Има и загуби при свързване между влакно и чип, които трябва да се минимизират. Термичната чувствителност на силиция (промяна на показателя на пречупване с температурата) означава, че много силициеви фотонни схеми се нуждаят от стабилизация или калибриране. Ограничения на честотната лента могат да възникнат при модулятори или детектори – например, силициевите пръстеновидни модулятори имат крайна честотна лента и са чувствителни към температура, докато модуляторите на Mach-Zehnder изискват внимателно инженерство за постигане на много висока скорост без изкривяване. Хроматичната дисперсия във вълноводите може да ограничи много широкоспектърни приложения (макар че обикновено това не е проблем на къси разстояния върху чипа). Още един фин момент: електронно-фотонната интеграция често изисква ко-дизайн на електрониката (като драйвери, TIA за детектори) с фотониката. Интерфейсът между тях може да ограничи цялостната производителност (например, ако модуляторът изисква определено напрежение, трябва драйвер, който да го осигури бързо). Така че системното инженерство е сложно. Освен това, не всички приложения оправдават използването на фотоника – за много къси, нискоскоростни връзки електрическите решения може да са по-евтини и по-прости. Така че знанието къде да се внедри силициева фотоника за максимална полза също е важен фактор.

В обобщение, макар че нито едно от тези предизвикателства не е непреодолимо, те взети заедно означават, че силициевата фотоника все още има развитие пред себе си. Много от най-ярките умове във фотониката и електрониката активно работят по решаването на тези проблеми: интегриране на по-добри лазери, подобряване на опаковките, мащабиране на производството и разширяване на възможностите за проектиране. Напредъкът дори през последните няколко години е обнадеждаващ. Както отбелязва проф. Бауърс, предизвикателства като интегрирането на III-V лазери в CMOS, подобряване на добивите и свързването с влакна, както и намаляване на разходите, всички се адресират с „напредък… много бърз.“ nature.com Всяка година носи подобрения и разликата между лабораторния прототип и масовото производство става малко по-малка. Струва си да се помни, че електронните интегрални схеми са имали десетилетия на интензивни усилия, за да достигнат днешния мащаб – силициевата фотоника, в сравнение, е в много по-ранна фаза от своето развитие, но бързо наваксва.

Водещи компании и институции в областта

Силициевата фотоника се е превърнала в глобално начинание, като много компании (от стартиращи до технологични гиганти) и изследователски институти движат областта напред. Според пазарни проучвания, водещите играчи на пазара на силициева фотоника (към 2025 г.) включват индустриални гиганти като Cisco, Intel и IBM, наред със специалисти като NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics и STMicroelectronics expertmarketresearch.com. Ето преглед на някои ключови участници:

Intel Corporation (САЩ): Пионер в силициевата фотоника, Intel инвестира рано и значително в технологията. През 2016 г. компанията представи един от първите 100G силициеви фотонни трансивъри и оттогава е доставила милиони устройства optics.org. Intel използва силициева фотоника в високоскоростни оптични трансивъри и я внедрява в бъдещи сървърни процесори и edge приложения. Визията на компанията е да „осигури бъдещ растеж на пропускателната способност на центровете за данни“ чрез фотоника, като се мащабира от 100G до 400G и нагоре, и да интегрира оптиката с процесорите за приложения като 5G и автономни превозни средства expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. Дивизията Silicon Photonics на Intel наскоро си партнира с Jabil за производство, което показва узряване към масово производство optics.org. Intel също така изследва коопакетирана оптика за суичове и има дялове в множество фотонни стартъпи (като Ayar Labs).
Cisco Systems (САЩ): Cisco, гигант в мрежовите технологии, навлезе в силициевата фотоника чрез придобивания (например придобиването на Luxtera през 2019 г.) и сега е водещ доставчик на silicon photonic optical transceivers за центрове за данни и телекомуникации. Cisco използва своята фотонна технология в продукти, вариращи от 100G/400G plug-in модули до бъдещи коопакетирани оптични суичове. Решенията на Cisco се възползват от вътрешния дизайн на фотонни ИС, които постигат висока плътност и енергийна ефективност. Чрез използването на силициева фотоника, Cisco предоставя на клиентите високоскоростни връзки с по-малки размери. През 2025 г. Cisco е един от пазарните лидери, които доставят силициева фотоника в големи обеми expertmarketresearch.com.
IBM Corporation (САЩ): IBM има дълга история в изследванията на оптични връзки. Екипът по силициева фотоника на IBM, с над десетилетие R&D, е разработил високоскоростна технология за оптични връзки, насочена към връзки на ниво платка и процесор expertmarketresearch.com. Изследванията на IBM са довели до постижения в силициевите микрорингови модулятори, мултиплексиране по дължина на вълната и опаковане. Въпреки че IBM не продава трансивъри като Intel или Cisco, често си сътрудничи по прототипи (например, IBM и Mellanox показаха оптична връзка за сървъри през 2015 г.). Акцентът на IBM е върху използването на фотоника за решаване на изчислителни затруднения (например, процесорът POWER10 използва фотонни връзки за off-chip сигнализация чрез партньорства). IBM също допринася за стандарти и отворени изследвания; работата ѝ често се представя на конференции като OFC и CLEO.
NeoPhotonics/Lumentum (САЩ): NeoPhotonics (сега част от Lumentum от 2022 г.) се специализира в лазери и фотонни компоненти за телекомуникации и центрове за данни. Те са разработили ултра-чисти светлинни настройваеми лазери и високоскоростни модулятори. Забележително е, че NeoPhotonics въведе силициево-фотонни кохерентни оптични субасембли (COSA) за 400G на дължина на вълната комуникации и изследваше 800G и нагоре expertmarketresearch.com. Като част от Lumentum (голям играч в оптичната индустрия), този опит допринася за следващото поколение кохерентни трансивъри и плъгини за телекомуникации. Притежанието на Lumentum означава, че тези силициево-фотонни продукти могат да бъдат интегрирани със съществуващото фотонно портфолио на Lumentum (например техните индиев фосфиден модулятори и усилватели).
Hamamatsu Photonics (Япония): Лидер в оптоелектронните компоненти, Hamamatsu произвежда широка гама фотонни устройства (фотодиоди, фотоумножители, сензори за изображения и др.). Hamamatsu използва силициеви процеси за производство на силициеви фотодиодни масиви и силициево-базирани оптични сензори expertmarketresearch.com. Макар да не е толкова фокусиран върху високоскоростни трансивъри, работата на Hamamatsu в силициевата фотоника е от решаващо значение за сензориката и научната апаратура. Те предоставят силициеви PIN фотодиоди, APD и оптични сензорни чипове, които са основополагащи за оптични комуникационни приемници и LiDAR детектори. Техният опит в нискошумова, високочувствителна фотоника допълва дигиталната комуникационна страна на силициевата фотоника.
STMicroelectronics (Швейцария/Европа): STMicro е голям производител на полупроводници, който е развил собствен капацитет в силициевата фотоника. Фокусът на STMicro е върху интегрирани решения за изображения и сензори – например, те са произвеждали силициево-фотонни чипове за влакнесто-оптични жироскопи и са работили по R&D на оптични връзки в европейски консорциуми. Развитите фабрики и MEMS възможности на STMicro го позиционират добре за силициева фотоника, която изисква интеграция с други сензори или електроника expertmarketresearch.com. Държави като Франция и Италия (където ST има големи операции) подкрепят фотониката чрез инициативи, а ST често е партньор в тях. Също така се говори, че доставят някои силициево-фотонни компоненти за индустриални и автомобилни системи.
GlobalFoundries (САЩ) и TSMC (Тайван): Тези производители на чипове по договор вече имат предложения в областта на силициевата фотоника. GlobalFoundries има добре познат 45 nm процес за силициева фотоника (GF 45CLO) и е партнирал със стартиращи компании като Ayar Labs за производство на оптични I/O чипове. TSMC е по-потайна, но се съобщава, че работи с големи технологични фирми за изграждане на фотонно интегрирани чипове (например, някои слухове за Apple предполагат участие на TSMC във фотонни сензори). И двете са критични за мащабиране на производството – наличието на големи фабрики означава, че всяка компания без собствена фабрика може по-лесно да получи прототипи и масово производство на фотонни чипове. Всъщност, участието на такива фабрики е силен индикатор, че силициевата фотоника става мейнстрийм.
Infinera (САЩ) и Coherent/II-VI (САЩ): Infinera е производител на телекомуникационно оборудване, който рано възприе фотонни интегрални схеми (макар и на индиев фосфид). Впоследствие те се адаптираха да използват и силициева фотоника в някои продукти или за съвместно опаковане с техните InP PICs. Coherent (която придоби Finisar и по-късно прие името Coherent) е дълбоко ангажирана с оптични компоненти; те имат собствени InP фабрики, но също така разработват силициеви фотонни трансивъри за центрове за данни optics.org. Тези компании внасят телекомуникационен фокус върху надеждността и производителността, като тласкат силициевата фотоника да отговаря на изискванията за carrier-class (например 400ZR модули за кохерентни връзки на разстояние).
Ayar Labs, Lightmatter и стартиращи компании: Вълна от иновативни стартиращи компании тласка силициевата фотоника в нови области. Обсъдихме Ayar Labs (оптичен I/O за AI/HPC) и Lightmatter (оптично изчисление). Други включват Lightelligence (още един стартъп за оптичен AI чип), Luminous Computing (интегриране на фотоника и електроника за AI), Celestial AI (оптични мрежи за изчислителни клъстери), OpenLight (съвместно предприятие, предлагащо отворена фотонна платформа с интегрирани лазери) и Rockley Photonics (фокусирани върху здравни сензори, сега основно придобити от Celestial). Тези стартиращи компании са забележителни със своите амбициозни подходи – например, 3D-интегрираното фотонно тензорно ядро на Lightmatter или опита на Luminous да изгради цялостен фотонен компютър. Те често си сътрудничат с големи компании (например, HPE си партнира с Ayar Labs за използване на оптични интерконекти в суперкомпютърна интерконектна тъкан nextplatform.com). Стартиращата сцена е динамична и тяхното присъствие е накарало утвърдените компании да се движат по-бързо. Един индустриален наблюдател отбеляза, че заедно с Ayar, компании като Lightmatter и Celestial AI „всички имат шанс да пробият, тъй като силициевата фотоника служи като мост между изчислителните ядра и интерконектите.“ nextplatform.com
Академични и изследователски институции: От институционалната страна, водещите университети и национални лаборатории са от ключово значение за напредъка на силициевата фотоника. Калифорнийският университет в Санта Барбара (UCSB) под ръководството на проф. Джон Бауърс е водеща сила, пионер в хибридните силициеви лазери и квантовите точкови лазери върху силиций. MIT, Станфорд, Колумбия (с групата на проф. Михал Липсън) и Caltech са други американски центрове за изследвания в областта на силициевата фотоника, работещи по всичко – от нова физика на модуляторите до фотонни компютърни архитектури. В Европа IMEC в Белгия ръководи видна програма по силициева фотоника и мулти-проектен уейфър сървис (iSiPP), а Университетът в Саутхемптън, TU Eindhoven, EPFL и други имат силни групи. AIM Photonics институтът в САЩ (споменат по-горе) обединява много от тези университети и компании за съвместна работа и предоставя национален производствен капацитет. Държавни лаборатории като MIT Lincoln Lab и IMEC дори са демонстрирали усъвършенствана интегрирана фотоника за отбрана (напр. оптични фазирани решетки за LiDAR). Освен това, международни сътрудничества и конференции (като Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society meetings) позволяват на тези институции да споделят пробиви. Областта се възползва от здравословен академично-индустриален поток: много основатели на стартъпи и лидери в индустрията са обучавани в тези изследователски лаборатории, а текущите академични изследвания продължават да разширяват границите (например нова интеграция на материали или квантова фотоника, както беше споменато).

Всички тези участници – големи технологични компании, специализирани производители на компоненти, амбициозни стартъпи и авангардни изследователски лаборатории – формират богата екосистема, която колективно движи силициевата фотоника напред. Конкуренцията и сътрудничеството между тях ускоряват иновациите. Забележително е, че дори геополитиката играе роля: има осъзнаване за надпревара между САЩ, Европа и Китай кой ще води във фотонните технологии csis.org, предвид стратегическото им значение за комуникациите и изчисленията. Това доведе до увеличени публични инвестиции (напр. PhotonHub на ЕС и националните фотонни инициативи на Китай). За обикновения технологичен ентусиаст изводът е, че много умни хора и сериозни ресурси по света се влагат в това бъдещите ни чипове да комуникират със светлина.

Експертни мнения и цитати

През цялото развитие на силициевата фотоника, експерти в областта са споделяли гледни точки, които помагат да се постави в контекст нейното въздействие. Ето няколко забележителни мнения:

За парадигмата на силициевата фотоника: „Често описвам силициевата фотоника като не просто стъпкова подобрение — това е смяна на парадигмата“, казва Рене Йонкер, изпълнителен директор в Soitec, подчертавайки, че за разлика от медните връзки, които достигат своите граници, оптичните връзки осигуряват устойчив начин за справяне с нарастващите изисквания към данните. Въпреки че остават предизвикателства за намаляване на разходите и мащабиране на производството, предимствата – „по-голяма пропускателна способност, намалена латентност и по-ниска консумация на енергия“ – правят силициевата фотоника „незаменима част от бъдещата ни инфраструктура.“ laserfocusworld.com
За енергията и оптиката в центровете за данни: В коментар на Laser Focus World от 2025 г. се подчертава спешността в центровете за данни: до края на десетилетието те могат да консумират 8% от електроенергията в САЩ, ако тенденциите продължат, което е „неустойчиво с настоящите електрически връзки.“ Авторът заключава, че „оптичните връзки, възможни благодарение на силициевата фотоника, са единственият мащабируем път напред.“ laserfocusworld.com С други думи, за да избегнем енергиен и пропускателен срив, преминаването към оптични връзки не е просто опция – то е необходимо.
За предизвикателствата при интеграцията: Професор Джон Бауърс (UCSB), водещ специалист във фотониката, коментира най-голямото предизвикателство: „Основното предизвикателство е интеграцията на III–V материали в силициев CMOS… Остават проблеми с високите добиви, висока надеждност, намаляване на разходите и свързване на влакна. Опаковането на електроника и фотоника заедно е предизвикателство… Но напредъкът е много бърз.“ nature.com Това подчертава, че въпреки трудностите при интегрирането на лазери (III–V материали) и постигането на перфектни добиви, водещи компании като Intel напредват стабилно и решенията са на хоризонта.
За излъчването на светлина в силиций: В същото интервю Бауърс дава колоритно обяснение защо лазерите се нуждаят от нещо различно от силиций: „Силицият е изключително лош излъчвател на светлина. Вътрешната му квантова ефективност е около една на милион, докато при директно-зонните III–V ефективността е практически 100%. Още от самото начало знаех, че ни трябва полупроводник с директна забранена зона…“ nature.com. Тази откровена оценка обяснява защо екипът му рано е заложил на хибридни лазери (свързване на InP към Si) – подход, който се отплаща с хибридния силициев лазер на Intel през 2007 г. и след това.
Достигане на сървъра с оптика: Старши директорът по фотоника в Intel, Робърт Блум, илюстрира как оптиката постепенно навлиза във вътрешността на центровете за данни: „Когато влезете в център за данни днес, ще видите 100 Gb/s медни кабели… подходящи за четири метра. Но всичко извън рака вече използва оптика. С увеличаването на скоростта до 200 или 400 Gb/s, [обхватът] на медта става много по-къс и започваме да виждаме тази тенденция, при която оптиката стига чак до сървъра.“ tanaka-preciousmetals.com Този цитат ярко улавя текущия преход – оптиката постепенно заменя медта от ядрото на мрежата към нейните краища.
За растежа на пазара и изкуствения интелект: „Възходът на изкуствения интелект предизвика безпрецедентно търсене на високопроизводителни трансивъри… Силициевата фотоника и PIC са в челните редици на тази революция,“ отбелязва Сам Дейл, технологичен анализатор в IDTechX, като подчертава способността на силициевата фотоника да осигурява „скорости от 1,6 Tbps и повече.“ optics.org В неговия доклад се прогнозира, че пазарът на фотонни интегрални схеми може да нарасне почти десетократно до 2035 г. (до 54 милиарда долара), движен основно от нуждите на центровете за данни за изкуствен интелект optics.org.
За бъдещето на компютърните технологии: Анализатори от The Next Platform предвиждат, че оптичният I/O ще навлезе в HPC системите съвсем скоро. Те отбелязват, че до 2026–2027 г. вероятно ще видим масови CPU/GPU с оптични интерфейси, защото „в близко бъдеще нямаме избор.“ С техните колоритни думи, „Времето на медта изтече.“ nextplatform.com Това обобщава широко разпространено мнение в индустрията: електрическите връзки няма да са достатъчни за следващата ера на компютърните технологии и фотониката трябва да поеме, за да не се стигне до задънена улица.

Тези прозрения от експерти подчертават както обещанията, така и предизвикателствата на силициевата фотоника. Има последователна тема: силициевата фотоника е трансформативна – позволява необходим скок в производителността – но идва със сериозни технологични предизвикателства, които бързо се преодоляват. Експертите подчертават смесица от оптимизъм (смяна на парадигмата, незаменимо бъдеще) и реализъм (проблеми с интеграцията, притеснения относно разходите и мащабирането). Техните гледни точки помагат на широката публика да разбере защо толкова много компании и изследователи са развълнувани от силициевата фотоника, а също и защо са били нужни няколко десетилетия, за да се издигне тази технология. Да го чуеш от гласовете на хората на първа линия – било то опитен изследовател или продуктов мениджър – дава контекст, че това е област, в която физиката, инженерството и пазарните сили се пресичат по завладяващи начини.

Последни новини и постижения

Пейзажът на силициевата фотоника е много динамичен. Ето някои акценти от последните новини и постижения (от последната година или малко повече), които илюстрират бързия напредък в тази област:

Celestial AI придобива интелектуалната собственост на Rockley Photonics (октомври 2024): Celestial AI, стартъп, разработващ Photonic Fabric™ оптични интерконекти за изкуствен интелект, обяви, че е придобил патентното портфолио за силициева фотоника на Rockley Photonics за 20 милиона долара datacenterdynamics.com. Rockley беше разработила усъвършенствани силициеви фотонни сензори и се беше преориентирала към здравни носими устройства, преди да изпадне в несъстоятелност. Тази сделка даде на Celestial AI над 200 патента, включително технологии за електро-оптични модулятори и оптично превключване, полезни за приложения в центрове за данни datacenterdynamics.com. Това е значителна консолидация, която показва колко ценна е станала фотонната интелектуална собственост в сферата на изкуствения интелект/центровете за данни. Иновациите на Rockley (като широколентови лазери за сензори) може да намерят нов живот, интегрирани в оптичните интерконект решения на Celestial.
Голямо финансиране за стартъпи – Ayar Labs и Lightmatter (края на 2024): Два американски стартъпа получиха големи инвестиции. Ayar Labs приключи серия D финансиране от 155 милиона долара през декември 2024 г., с участие на водещи компании от полупроводниковата индустрия (Nvidia, Intel, AMD се включиха заедно с рискови инвеститори) nextplatform.com. Този рунд повиши оценката на Ayar над 1 милиард долара, което показва доверие в тяхната in-package оптична I/O технология, която цели да замени електрическите I/O във бъдещите процесори. Само няколко седмици по-рано, Lightmatter набра 400 милиона долара в серия D (октомври 2024), удвоявайки общото си финансиране и оценявайки компанията на 4,4 милиарда долара nextplatform.com. Lightmatter разработва фотонни изчислителни чипове и оптична интерпозерна технология за ускоряване на изкуствения интелект. Такива големи инвестиции са забележителни – те показват, че инвеститорите (и стратегическите партньори) вярват, че тези стартъпи могат да решат критични проблеми в AI и компютърните технологии с помощта на оптични технологии. Това означава също, че можем да очакваме тези компании да преминат от прототипи към продукти; всъщност Lightmatter вече внедрява тестови системи, а оптичните чиплети на Ayar са планирани за пилотно използване в HPC системи.
Intel възлага производството на трансивъри на Jabil (края на 2023 г.): В интересен обрат, Intel в края на 2023 г. реши да прехвърли бизнеса си с високoобемни силициево-фотонни трансивъри на Jabil, производствен партньор optics.org. Intel беше доставила над 8 милиона фотонни трансивърни чипа от 2016 г. насам optics.org – те се използват за 100G/200G свързаност в центрове за данни. Като предаде производството на Jabil (договорен производител), Intel сигнализира стратегическа промяна: ще се фокусира върху интегрирането на фотониката с основните си платформи (като съвместно пакетирана оптика и фотоника в процесора), докато партньор ще поеме комодитизирания пазар на трансивъри. Този ход също отразява узряването на индустрията – това, което беше авангардна технология преди няколко години (100G plug-in модули), сега е достатъчно рутинно, за да се възлага външно. Jabil, от своя страна, развива оптично производство, което потенциално може да обслужва и други клиенти. Сътрудничеството между Intel и Jabil беше подчертано като ключово развитие в индустрията от анализатори optics.org, които го отбелязаха като част от еволюцията на екосистемата.
InnoLight представя 1,6 Tb/s модул (края на 2023 г.): В надпреварата за по-високи скорости, InnoLight, китайска компания за оптични трансивъри, обяви, че е постигнала 1,6 терабита в секунда прототип на оптичен трансивър optics.org. Това вероятно включва множество дължини на вълната (напр. 16×100G или 8×200G канала) върху силициево-фотонна платформа. Постигането на 1,6 Tb/s в един модул година преди някои конкуренти показва нарастващата мощ на Китай в силициевата фотоника. Модулът на InnoLight може да се използва за uplink връзки на top-of-rack суичове или за свързване на AI системи. Това също е намек, че 3,2 Tb/s модули (които биха използвали например 8 дължини на вълната по 400G всяка) не са далеч – всъщност, IDTechX прогнозира 3,2 Tb/s модули до 2026 г. optics.org. Това беше рекорд, който привлече вниманието и подчертава интензивната глобална конкуренция; Coherent (САЩ) и други също работят по 1,6T и 3,2T дизайни optics.org.
Напредък на фотонния квантов чип на PsiQuantum (2024): В квантовата сфера, PsiQuantum (която е потайна, но е известно, че работи с GlobalFoundries) публикува изследване, очертаващо път към фотонен квантов компютър, толерантен към загуби, и обяви чип, наречен „Omega“ за тяхната фотонна квантова архитектура thequantuminsider.com. Макар че все още не е търговски продукт, това показва, че хардуерът за фотонни квантови изчисления напредва – със силициевата фотоника в основата си. Подходът на PsiQuantum изисква интегриране на хиляди единични фотонни източници и детектори. Новината тук е потвърждение на възможността за производство: статия в Nature от 2022 г. демонстрира ключови компоненти (източници, филтри, детектори) върху един силициев фотонен чип, който може да бъде мащабиран nature.com. Това подсказва, че са на път към важен етап около средата на 2020-те до началото на 2030-те за прототип на оптичен квантов компютър с милион кубити (тяхната дългосрочна цел). Подобни разработки, макар и нишови, се следят отблизо, тъй като могат да променят дефиницията на високия клас изчисления.
Стартъпи във фотониката с литиев ниобат получиха финансиране (2023): Както беше споменато, два стартъпа, фокусирани върху интегрирането на LiNbO₃ със силициева фотоника, HyperLight (САЩ) и Lightium (Швейцария), събраха общо 44 милиона долара през 2023 г. optics.org. Новината за финансирането беше забележителна, защото подчертава тенденция: добавяне на нови материали към силициевата фотоника за преодоляване на границите на производителността. Тези компании рекламират модулиратори, които могат да работят с по-висока линейност и в широк диапазон от дължини на вълната (от видимия до средния ИЧ) с много ниски загуби optics.org. Незабавното приложение може да са свръхбързи модулиратори за комуникации или специализирани устройства за квантова и RF фотоника. По-широката гледна точка е, че инвестиционната общност също подкрепя иновативни материали във фотониката, а не само по-очевидните стартъпи за трансивъри. Това е знак, че дори напредъкът в науката за материалите (като TFLN върху изолатор) може бързо да премине към стартъпи и продукти в тази област.
Актуализации на стандартите и консорциумите (2024–25): Има напредък по фронта на стандартизацията. Continuous-Wave WDM MSA (консорциум, който определя стандартни модули за светлинни източници за коопакетирана оптика) представи начални спецификации за общи лазерни източници, които могат да захранват множество фотонни чипове. Това е важно за осигуряване на съвместимост между различни доставчици за коопакетирана оптика. Също така, UCIe консорциумът (за чиплет интерконект) създаде оптична работна група, която да разгледа как оптичните чиплет връзки могат да бъдат стандартизирани. Междувременно организации като COBO (Consortium for On-Board Optics) и CPO Alliance провеждат срещи на върха (например на OFC 2024), където обсъждат добри практики за коопакетирана оптика ansys.com. Всичко това показва, че индустрията осъзнава нуждата да хармонизира интерфейсите и да избегне фрагментация, която може да забави внедряването. Последни новини от IEEE също показват напредък по стандартите за 1.6T Ethernet и свързаните с тях оптични интерфейсни стандарти, които предполагат използването на силициева фотонна технология.
Продуктови анонси: От страна на продуктите вече виждаме реален хардуер на пазара:
- 800G плъгваеми модули: Няколко доставчици (Intel, Marvell/Inphi и др.) започнаха да предлагат за проби 800G QSFP-DD и OSFP модули през 2024 г., които използват силициева фотоника. Очаква се те да бъдат внедрени в суичове и мрежи през 2025 г.
- CPO демонстрационни комплекти: Компании като Ranovus и IBM демонстрираха коопакетирани оптични развойни комплекти – предвестник на комерсиални CPO продукти. Например, изследователският прототип на IBM за коопакетиран суич беше показан в работещ вид, а Ranovus има CPO модул с 8×100G дължини на вълната.
- Силициево-фотонни лидар продукти: Innovusion (Китай) и Voyant Photonics (САЩ) обявиха напредък в своите силициево-фотонни лидари. Най-новият лидар на Innovusion за автомобили използва някои силициево-фотонни компоненти за постигане на FMCW на конкурентна цена. Voyant, стартъп от изследванията на Колумбийския университет, вече продава малък твърдотелен лидар модул, базиран на силициева фотоника, за дронове и роботи.
- Оптични I/O чиплети: До средата на 2025 г. Ayar Labs планира да има своите TeraPHY optical I/O chiplet и SuperNova laser source в ранно клиентско тестване, осигурявайки 8 Tbps оптична връзка за HPC системи. Ако всичко върви по план, това може да е едно от първите внедрявания на оптичен I/O в компютърна система (вероятно в държавна лаборатория или пилотен суперкомпютър през 2025–26 г.).

Потокът от последни новини рисува картина на област, която бързо напредва на няколко фронта: от пробиви в скоростта (1.6T оптика) до големи стратегически ходове (аутсорсинг на Intel, големи инвестиционни кръгове) и първи по рода си внедрявания (оптични двигатели за AI). Това е вълнуващ момент, защото тези развития показват, че силициевата фотоника преминава от обещаваща технология към комерсиална реалност с нарастващо въздействие върху продукти и индустрии.

За широка аудитория основният извод от всички тези новини е, че силициевата фотоника не е далечно обещание – тя се случва сега. Компаниите наливат пари и ресурси в нея, реални продукти вече се доставят, а всяко тримесечие носи нови постижения, които чупят предишни рекорди. Това е бързо развиваща се област и дори технологично напреднали читатели може да се изненадат колко бързо са се появили неща като „оптични чиплети“ или „1,6 терабитови модули“. Новините също така подчертават, че това е глобално състезание – със значителна активност в САЩ, Европа и Азия – и че обхваща всичко от дълбоки технологични стартъпи до най-големите чип компании и мрежови доставчици.

Бъдещи перспективи и прогнози

Гледайки напред, бъдещето на силициевата фотоника изглежда изключително обещаващо, с потенциал да преосмисли изчисленията и комуникациите през следващото десетилетие. Ето някои прогнози и очаквания за това, което предстои:

Масово навлизане в изчислителната техника: До края на 2020-те можем да очакваме силициевата фотоника да стане стандартна характеристика във високия клас изчислителни системи. Както беше отбелязано, до 2026–2027 г. трябва да се появят първите CPU, GPU или AI ускорители с интегриран оптичен I/O nextplatform.com. Първоначално те може да са в специализирани пазари (суперкомпютри, системи за високочестотна търговия, авангардни AI клъстери), но ще проправят пътя за по-широко навлизане. След като технологията се докаже и обемите нараснат, оптичният I/O може да се прехвърли и към по-масови сървъри и устройства през 2030-те. Представете си сървърни шкафове, където всеки CPU има оптични портове директно на пакета, свързани към оптичен top-of-rack суич; това може да стане обичайна практика. Бутилочното гърло при паметта също може да бъде решено чрез оптични връзки – например, оптично свързване на паметта с процесорите за по-голяма пропускателна способност на разстояние (някои изследователи говорят за „оптично разпределяне на паметта“ за големи споделени пулове памет). В обобщение, центърът за данни на бъдещето (и съответно облачните услуги на бъдещето) вероятно ще бъде изграден върху тъкан от оптични интерконекти на всяко ниво, възможни благодарение на силициевата фотоника.
Терабитови мрежи за всички: Капацитетът на мрежовите връзки ще продължи да нараства скокообразно. Говорим за 1,6 Tb/s, 3,2 Tb/s, дори 6,4 Tb/s оптични трансивъри в един модул до началото на 2030-те години. Тези скорости са поразителни – връзка от 3,2 Tb/s може да прехвърли 4K филм за части от милисекунда. Макар че тези скорости ще се използват в гръбнаците на центрове за данни и телекомуникационни мрежи, косвено те ще са от полза за потребителите (по-бърз интернет, по-надеждни облачни услуги). До 2035 г. анализаторите прогнозират, че пазарът на фотонни интегрални схеми ще достигне над 50 милиарда долара, основно благодарение на тези трансивъри за AI и центрове за данни optics.org. Може да видим как 800G и 1.6T стават новите 100G, т.е. ще бъдат основните работни връзки в мрежите. А с увеличаването на обема, цената на бит ще пада, което ще направи високоскоростната свързаност по-евтина и по-достъпна. Възможно е дори потребителски устройства (като VR очила, които се нуждаят от много високоскоростна връзка с компютър или конзола) да използват оптичен USB или оптичен Thunderbolt кабел, за да пренасят десетки или стотици гигабити без латентност или загуба.
Революция в телекомуникациите: В телекома силициевата фотоника ще помогне за реализирането на изцяло оптични мрежи с много по-висока ефективност. Кохерентната оптична комуникация с интегрирана фотоника вероятно ще се мащабира до над 1 Tb/s на дължина на вълната (с усъвършенствани съзвездия и може би интегрирани DSP трансивъри). Това може да направи мулти-терабитовите оптични канали икономични, намалявайки броя на необходимите лазери/влакна. Силициевата фотоника ще направи и пренастройваемите оптични мултиплексори (ROADM) и друго мрежово оборудване по-компактно и енергийно ефективно, което от своя страна улеснява внедряването на по-капацитетни 5G/6G мрежи и по-добра инфраструктура за оптика до дома. Един конкретен сектор за наблюдение са интегрираните лазери за кабелна телевизия/оптичен достъп: евтини настройваеми лазери върху силиций могат да позволят на всяко домакинство да има симетрична 100G оптична връзка, например. Чрез интегриране на оптични функции, телекомуникационните оператори могат да опростят централните офиси и главните станции. Така крайният ефект ще бъдат още по-бързи и надеждни интернет услуги на потенциално по-ниски цени, задвижвани зад кулисите от силициеви фотонни чипове.
AI изчисления и оптични двигатели: В сферата на AI, ако компании като Lightmatter и Lightelligence успеят, може да станем свидетели на първите оптични копроцесори в центровете за данни. Те ще ускоряват матрични умножения или графови анализи с помощта на светлина, потенциално осигурявайки скокове в производителността на ват. Възможно е в рамките на 5 години някои центрове за данни да имат шкафове с оптични AI ускорители наред с GPU, които да обработват специализирани задачи изключително бързо (например ултра-бързо инфериране за услуги в реално време). Дори напълно оптичните компютри да останат донякъде ограничени, хибридният електро-оптичен подход (електроника за логически контрол, фотоника за тежко пренасяне на данни и операции multiply-accumulate) може да се превърне в ключова стратегия за поддържане на скалируемостта на AI. Чрез намаляване на топлината и консумацията на енергия, фотониката може да помогне AI обучението да остане възможно, докато моделите нарастват до трилиони параметри. Накратко, силициевата фотоника може да е тайната съставка, която ще позволи следващото 1000× увеличение на размера на AI моделите/обучаващите данни, без да се претовари електрическата мрежа.
Въздействие върху потребителските технологии: Докато по-голямата част от силициевата фотоника в момента се използва в големи изчислителни центрове (data centers, networks), в крайна сметка тя ще проникне и в потребителските устройства. Един очевиден кандидат са AR/VR очилата (където трябва да се предава огромно количество данни към миниатюрни дисплеи и камери – оптичните връзки могат да помогнат). Други примери са потребителски LiDAR или дълбочинни сензори – бъдещите смартфони или носими устройства могат да имат миниатюрни силициеви фотонни сензори за здравен мониторинг (както се стремеше Rockley Photonics) или за 3D сканиране на околната среда. Mobileye на Intel вече обяви, че неговият силициев фотонен LiDAR ще бъде в автомобилите, така че до края на 2020-те вашият нов автомобил може да има интегриран фотонен чип, който тихо управлява сензорите за автономно шофиране tanaka-preciousmetals.com. С течение на времето, с намаляване на разходите, повече такива сензори могат да се появят в ежедневните устройства (представете си смарт часовници, които използват силициев фотонен сензор за неинвазивно наблюдение на глюкоза или кръвни анализи чрез оптична спектроскопия на китката ви – компании наистина работят по тази концепция). Дори и в аудио/видео от висок клас, оптичните чипове могат да подобрят камерите (LiDAR за фокусиране или 3D картографиране във фотографията) или да позволят холографски дисплеи, като модулират светлината на микроскопично ниво (малко спекулативно, но не и невъзможно, тъй като пространствените светлинни модули на силиций се подобряват). Така че след десетилетие потребителите може дори да не осъзнават, че използват силициева фотоника в своите джаджи, точно както днес използваме MEMS сензори навсякъде, без да се замисляме.
Фотоника в квантовата област: Ако погледнем още по-напред в бъдещето, квантовите фотонни технологии може да се развият. Ако PsiQuantum или други успеят, може да имаме фотонен квантов компютър, който превъзхожда класическите суперкомпютри за определени задачи – с може би милиони заплетени фотони, обработвани на чип. Това би било монументално постижение, може би толкова трансформиращо, колкото първите електронни компютри. Макар това да е вероятно след 2030 г., напредъкът междувременно може да доведе до квантови симулатори или мрежови квантови комуникационни системи, използващи силициева фотоника. Например, защитени квантови комуникационни връзки (QKD мрежи) могат да бъдат внедрени в градски мащаб с помощта на стандартизирани силициеви фотонни QKD предаватели в изчислителни центрове. Съществува и потенциал за квантови сензори на чип (като оптични жироскопи с квантова чувствителност), които да намерят приложение в навигацията или науката.
Продължаващи изследвания и нови хоризонти: Самата област на силициевата фотоника ще продължи да се развива. Изследователите вече проучват 3D интеграция – наслагване на фотонни чипове с електронни за още по-тясно свързване (някои изследват микро-връзки или техники за свързване, за да поставят фотонен интерпозер под CPU, например). Говори се и за оптични мрежи върху чип (ONoC), където вместо или в допълнение към електрическите мрежи върху чип, процесорите използват светлина за комуникация между ядрата. Ако някой ден многоядрените CPU използват вътрешни оптични мрежи, това може да премахне тесните места в пропускателната способност вътре в чипа (това е по-далечно бъдеще, но концептуално доказано в лаборатории). Нанофотониката също може да влезе в употреба: плазмонни или наноразмерни оптични компоненти, които работят с много високи скорости или изключително малки размери, потенциално интегрирани със силициева фотоника за определени задачи (като ултракомпактни модулятори). А кой знае, може би някой ден някой ще постигне светия граал на силициев лазер чрез някакъв умен материален трик – което наистина би опростило фотонната интеграция.
Пазарни и индустриални перспективи: От икономическа гледна точка, вероятно ще видим бум на пазара на силициева фотоника. Според IDTechX, до 2035 г. се очаква около 54 милиарда долара пазарна стойност optics.org. Забележително е, че докато комуникациите с данни ще формират лъвския дял, се очаква около ~$11 милиарда от това да дойдат от неданни приложения (телекомуникации, лидар, сензори, квантови технологии и др.) optics.org. Това означава, че ползите от технологията ще се разпространят в много сектори. Може също да станем свидетели на големи промени или партньорства в индустрията: например, може ли технологичен гигант да придобие някой от фотонните еднорози (представете си Nvidia да купи Ayar Labs или Lightmatter, за да си осигури преднина в оптичното изчисление)? Това е възможно, тъй като залозите стават по-високи. Освен това, международната конкуренция може да се засили – възможно е да видим значителни инвестиции от правителства за осигуряване на лидерство (подобно на това как полупроводниковата индустрия се счита за стратегическа). Силициевата фотоника може да се превърне в ключова част от националните технологични стратегии, което допълнително ще стимулира финансирането на НИРД и инфраструктурата.

В по-широк смисъл, ако се отдръпнем, бъдещето със силициева фотоника е такова, в което границите между изчисленията и комуникациите се размиват. Разстоянието става по-малко ограничаващо – данните могат да пътуват в рамките на чип или между градове с еднаква лекота по оптични нишки. Това може да позволи архитектури като разпределени изчисления, при които физическото местоположение на ресурсите има малко значение, защото оптичните връзки правят латентността ниска, а пропускателната способност – висока. Може да видим наистина дезагрегирани центрове за данни, където изчисленията, съхранението и паметта са оптично свързани като LEGO блокчета. Енергийната ефективност, постигната чрез фотониката, също може да допринесе за по-зелени ИКТ, което е важно, тъй като енергийният апетит на цифровата инфраструктура расте.

Да използваме думите на един ветеран от индустрията, „пътят към мащабиране на силициевата фотоника е толкова вълнуващ, колкото и предизвикателен.“ laserfocusworld.com Предстоящите години несъмнено ще донесат препятствия, но има колективна решимост в академичните среди и индустрията да ги преодолеят. Чрез сътрудничество и иновации – обединявайки материалознание, полупроводниково инженерство и фотоника – експертите са уверени, че ще посрещнем тези предизвикателства и ще отключим пълния потенциал на силициевата фотоника laserfocusworld.com. Бъдещите перспективи са, че тази технология ще премине от периферията (свързвайки нашите устройства или допълвайки специализирани системи) към самото сърце на изчисленията и свързаността. На практика сме свидетели на зората на нова ера – ера, в която светлината, а не само електроните, носи жизнената информация през устройствата и мрежите, които поддържат съвременния живот. А това наистина е революционна промяна, която ще се разгърне през следващото десетилетие и след това.

Източници: Дефиниции и предимства на силициевата фотоника ansys.com ansys.com; приложения в сензори, LiDAR, квантови технологии ansys.com ansys.com; тенденции в центровете за данни и изкуствения интелект laserfocusworld.com, optics.org; експертни цитати и анализи laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; лидери в индустрията expertmarketresearch.com; последни новини и инвестиции datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; бъдещи прогнози optics.org