Ako fungujú fotonické čipy – a prečo môžu nahradiť elektroniku

Problém s elektrónmi

Elektronické čipy prenášajú dáta už desaťročia ako prúdy elektrónov cez medené vodiče. Tento prístup poháňal revolúciu vo výpočtovej technike – ale naráža na fyzikálne limity. S explóziou objemu dát generujú medené prepojenia viac tepla, spotrebúvajú viac energie a strácajú viac signálu na vzdialenosť. V moderných dátových centrách umelej inteligencie sa tieto úzke miesta stávajú kritickými.

Fotonické čipy ponúkajú zásadne odlišný prístup: spracúvajú a prenášajú informácie pomocou fotónov – častíc svetla – namiesto elektrónov. Výsledkom je rýchlejší prenos dát, nižšia spotreba energie a schopnosť spracovať oveľa viac informácií súčasne.

Ako funguje fotonický čip

Fotonický integrovaný obvod (PIC) vykonáva rovnakú základnú úlohu ako elektronický čip – presúva a spracúva dáta – ale používa svetlo ako svoje médium. Čip je postavený na kremíkovom substráte, typicky v konfigurácii kremík na izolante (SOI). Tenká vrstva kremíka sedí na oxid kremičitý, čím vytvára kontrast indexu lomu, ktorý zachytáva a vedie svetlo cez mikroskopické kanály.

Tri základné komponenty to umožňujú:

• Vlnovody – submikrometrové kremíkové kanály, ktoré riadia lúče svetla okolo čipu a fungujú ako optické vodiče.
• Modulátory – zariadenia, ktoré kódujú digitálne informácie do svetelného signálu rýchlym zapínaním a vypínaním alebo posúvaním jeho fázy.
• Fotodetektory – komponenty, ktoré konvertujú optické signály späť do elektrickej formy, aby konvenčné procesory mohli čítať dáta.

Spolu tieto prvky tvoria optický obvod. Laser generuje svetlo, modulátory doň vkladajú dáta, vlnovody ho smerujú cez čip a fotodetektory čítajú výsledok. Pretože sa fotóny pohybujú rýchlosťou svetla s minimálnou stratou energie, celý proces je prirodzene rýchlejší a chladnejší ako pretláčanie elektrónov cez kov.

Prečo na kremíku záleží

Prelom, ktorý umožnil praktické fotonické čipy, spočíva v tom, že sa dajú vyrábať pomocou rovnakých výrobných procesov CMOS, ktoré produkujú konvenčné elektronické čipy. Táto kompatibilita využíva viac ako štyri desaťročia a stovky miliárd dolárov investícií do infraštruktúry výroby polovodičov, podľa fotonickej technickej komisie IEEE.

Namiesto budovania úplne nových tovární môžu výrobcovia čipov vyrábať fotonické komponenty na existujúcich výrobných linkách. To dramaticky znižuje náklady a urýchľuje prijatie v porovnaní s exotickými alternatívami, ako je fotonika na báze fosfidu india alebo niobičnanu lítneho.

Spojenie s dátovými centrami umelej inteligencie

Najnaliehavejší dopyt po fotonických čipoch pochádza z dátových centier umelej inteligencie. Trénovanie rozsiahlych jazykových modelov si vyžaduje presúvanie obrovského objemu dát medzi tisíckami procesorov pri extrémnej rýchlosti. Medené prepojenia v týchto zariadeniach sa stávajú úzkym miestom.

Podľa výskumu publikovaného v npj Nanophotonics je integrovaná fotonika „zásadná pre odomknutie škálovateľnosti a efektivity dátových centier umelej inteligencie novej generácie“. Nahradenie elektrických spojení optickými môže priniesť desaťnásobné zvýšenie energetickej účinnosti a až 50-násobne väčšiu šírku pásma, podľa odhadov spoločnosti Cambridge Consultants.

Jednou z kľúčových inovácií je spoločne balená optika (CPO), ktorá umiestňuje fotonický čip na rovnaké puzdro ako elektronický procesor. Minimalizovaním fyzickej vzdialenosti medzi optickými a elektrickými komponentmi CPO znižuje latenciu a spotrebu energie. Spoločnosti ako Google už integrovali optické obvodové prepínače do svojej infraštruktúry umelej inteligencie, aby zvýšili šírku pásma medzi výpočtovými klastrami.

Za hranice dátových centier

Fotonické čipy nachádzajú uplatnenie aj v telekomunikáciách, medicínskom snímaní, autonómnych vozidlách (kde systémy LiDAR používajú fotonické obvody na mapovanie okolia) a dokonca aj v kvantových počítačoch, kde fotóny slúžia ako qubity.

Výskumníci tiež skúmajú nové materiály na rozšírenie možností fotonických čipov. Tím spolupracujúci s nositeľom Nobelovej ceny Konstantinom Novoselovom nedávno preukázal, že kryštály sulfidu arzenitého sa dajú trvalo pretvoriť pomocou jednoduchého laserového svetla, čo potenciálne umožňuje výrobu fotonických komponentov bez nákladnej litografie v čistých priestoroch, ako uviedol ScienceDaily.

Čo bude nasledovať

Trh s kremíkovou fotonikou bol v roku 2024 ocenený na približne 2,2 miliardy dolárov a predpokladá sa, že bude rásť takmer o 30 % ročne, pričom do roku 2034 by mohol dosiahnuť 28,75 miliardy dolárov, podľa Precedence Research. Zavádzanie 5G a skorý vývoj sietí 6G pridávajú ďalší dopyt po vysokorýchlostných optických prepojeniach.

Fotonické čipy úplne nenahradia elektronické procesory – výpočty stále vyžadujú elektróny. Ale na presúvanie dát rýchlo a vo veľkom meradle sa svetlo ukazuje ako ťažko prekonateľné. Keďže záťaž umelej inteligencie rastie a náklady na energiu stúpajú, argument pre fotoniku sa stáva menej teoretickým a viac nevyhnutným.