Зачем нужна кремниевая фотоника: ее роль в цифровизации

Требования к скорости соединений между компьютерами в дата-центрах постоянно растут. По оценкам компании Equinix, пропускная способность мировых каналов связи должна расти в полтора раза в год, чтобы удовлетворить спрос на передачу данных, который возникает в ходе процессов цифровизации. Традиционные оптоволоконные каналы связи постепенно исчерпывают свои возможности. Им на смену приходит кремниевая фотоника и созданные на основе этой технологии специальные чипы, которые могут обладать всеми функциями оптоволоконных передатчиков, но при этом потреблять меньше энергии и занимать меньше места.

Отличие кремниевой фотоники от традиционной заключается в том,  что устройство состоит из одной печатной платы, а не собрано из отдельных деталей. Это позволяет сильно уменьшить оптические приемники и передатчики, которые способны обрабатывать больше битов информации за секунду, тратя при этом меньше энергии. 

Производители микроэлектроники планируют в ближайшие годы уменьшить размеры кремниевых фотонных систем настолько, чтобы их можно было использовать прямо на материнских платах компьютеров вместо традиционных шин передачи данных. При передаче информации на больших скоростях с помощью света нужно на несколько порядков меньше энергии, чем при помощи электромагнитных сигналов. Переход на фотонику позволит объединять в единые системы больше процессоров, памяти и других устройств, что выведет компьютерные системы на новый уровень производительности.

До последнего времени считалось, что для производства фоточувствительных элементов для передачи данных нужны редкие и дорогие материалы, такие как германий или фосфид индия. Но в прошлом году группа ученых смогла создать светочувствительные компоненты из нано-колец чистого кремния, что открыло возможность создавать системы для приема и отправки данных с помощью света на печатных платах. 

В ближайшей перспективе Intel планирует создать совместимые с обычным сетевым оборудованием оптические системы передачи данных, которые позволят передавать информацию со скоростью 800 Гбит/сек. Для сравнения домашний интернет лишь у очень небольшого числа провайдеров достигает скорости в 1 Гбит/сек, а обычно работает медленнее 100 мегабит/сек. Разъемы для соединений будут меньше, чему у традиционных кабелей, что позволит повысить плотность расположения компьютеров в датацентрах. Сейчас оптоволокно обычно применяют для передачи плотного потока данных на большие расстояния. Распространение кремниевой фотоники позволит полностью отказаться от медных кабелей в датацентрах. 

Кремниевая фотоника открывает новые возможности не только в датацентрах. Эти технологии будут использоваться для создания нового поколения лидаров — сенсоров, без которых невозможно развитие систем автономного транспорта. Лидар отправляет луч лазера в окружающую среду и определяет расстояния до окружающих предметов и их местоположение по отраженному излучению. К сожалению, нынешнее поколение этих сенсоров не очень надежно: они сильно реагируют на помехи и только с большим трудом и погрешностью могут определять скорость движения окружающих объектов. Следующее поколение лидаров будет лучше справляться с этими задачами. Но собрать их из отдельных элементов уже не получится, так как их будет слишком много. Если же применить технологии кремниевой фотоники, то лазеры и оптические усилители сигналов можно собрать на одной печатной плате, что позволит снизить стоимость устройств и повысить их надежность. 

Компания Mobileye представила такой лидар на выставке электроники в Лас-Вегасе. Он состоит из 6000 элементов, собранных на одной печатной плате. Устройство способно сканировать пространство с помощью 184 вертикальных линий, что обеспечивает большую разрешающую способность. Intel планирует начать их серийное производство на заводе в Нью-Мехико в 2025 году.

Лидары и системы передачи данных — далеко не единственные сферы, где будут применяться технологии кремниевой фотоники. Следующим шагом будет создание лабораторий на чипе — миниатюрных анализаторов, которые могут по отражению луча лазера выявлять различные химические вещества, проводить анализы крови и других биоматериалов, определять состав воздуха и сигнализировать об опасных примесях в нем. Любое направление технологии, где для выявления чего-либо используется лазер, получит дополнительный толчок к развитию.

По оценкам Yole Développement, темпы роста рынка технологий кремниевой фотоники  в ближайшие пять лет составят 49% в год. Его объем превысит 1,1 млрд долларов к 2026 году. Исследователи рынка полагают, что здесь ведущую роль сыграет Apple. Сейчас она в сотрудничает со стартапом Rockley Photonics, который должен создать «клинику на запястье» — систему лазерных датчиков, которые способны будут в режиме реального времени следить за ключевыми биохимическими параметрами крови. Медицинский сегмент через пять лет составит почти половину от мирового рынка кремниевой фотоники.

Второй по важности сектор фотоники — развитие систем передачи данных между базовыми станциями 5G. Его размер к 2026 году превысит 450 миллионов долларов в год. 

Вероятнее всего, производственные мощности кремниевой фотоники будет сконцентрированы в руках очень небольшого количества компаний. В телекоммуникационной сфере ими станут Intel, Cisco и Broadcom. Чипы для медицинского применения и химического анализа, скорее всего, будет производить на заказ тайваньская TSMC.

Не исключено, что на рынке появятся и новые игроки, прогнозируют в Yole Developpement. Больше всего шансов на это будет в секторе лидаров. Этот процесс уже начался: в двадцатом году на биржу вышли компании Velodyne Lidar и Luminar Technologies, которые планируют сворачивать производство на средства, которые они получили от инвесторов. В этом году к ним присоединились Aeva Inc. и Ouster Inc., которые также вышли на биржу через механизм слияния с компанией-кошельком. 

Технологии кремниевой фотоники могут серьезно изменить нашу жизнь уже через пять лет: носимые анализаторы крови, более быстрые компьютеры и автомобили с настоящим автопилотом невозможны без развития в этой сфере.