טכנולוגיות שבבי הסיליקון מייצגות בד”כ את אחד מהתחומים הטכנולוגים שהתפתחו במהירות הגבוהה ביותר אך גם כיום כמעט כל המכשירים המודרניים החל מהטלפונים החכמים שלנו וכלה במחשבי העל המהירים בעולם, עדיין מסתמכים על חיווט חשמלי להעברת נתונים – טכנולוגיה שתחילתה בטלגרפים של המאה ה-19. מאז ועד היום קישר חוט נחושת זול ואמין בין כמויות גדולות של טרנזיסטורים ומעגלי תמיכה בשבבים הזעירים גם כאשר הלכו ונעשו צפופים יותר ויותר.
אולם כיום כאשר אנו מתקרבים במהירות לגבול הפיזי של מזעור שבבים, החסרונות של חוטי נחושת הופכים למשמעותים מאד. רוחב פס מוגבל, זליגת זרם והשראות בין חוטים סמוכים יוצרים צווארי בקבוק עבור מוצרי המחשוב החדשנים. בקרב המתכננים קיימים גם חששות מוצדקים מהשטח שתופסים חוטי נחושת, מהזרם שהם צורכים ומהחום שהם פולטים.
פתרון אפשרי לבעיות הללו יכול היה להיות בטכנולוגיות מבוססות אור, כמו כבלי סיבים אופטיים, המשתמשים בפוטונים כדי להעביר נתונים במהירות וברוחב פס גבוהים בהרבה. אך העלות הגבוהה הכרוכה בהחלפת חיווט חשמלי במעגלים משולבים בפוטוניקה מתקדמת הוכחה כמחסום למסחור. לכן נדרש פתרון שיאפשר שימוש בטכנולוגיית פוטוניקה תוך התבססות על שיטות ייצור קיימות בנפח גבוה ובעלות נמוכה.
היתרון הגדול בטכנולוגית סיליקון פוטוניקס. הוא בעובדה שניתן לייצר אותו בדיוק כמו שבבי מחשב רגילים אבל עם תכנון המאפשר להעביר אותות לייזר נושאי נתונים. סיליקון פוטוניקס מסוגל לשאת יותר נתונים תוך צריכת פחות זרם ובלי פליטת חום או גרימה לפגיעה כלשהי באות.
התאמה לא מושלמת
למרות שטכנולוגית סיליקון פוטוניקס נראית על הנייר כפתרון מושלם, במשך יותר מ-30 שנה נאבקו מדענים להתגבר על חסרונותיה השונים. בעוד שסיליקון אטום בספקטרום הנראה, הוא שקוף באורכי גל אינפרא אדום המשמשים בשידור אופטי, ולכן הוא טוב בהנחיית אור אך לוקה בפליטת אור. לארס פרנדסן מומחה סיליקון פוטוניקס מהאוניברסיטה הטכנית של דנמרק (DTU) מסביר: “רוחב הפס האלקטרוני של הסיליקון הופך אותו לשקוף בטווח אורכי הגל של התקשורת, אבל זהו רוחב פס בלתי ישיר, מה שגורם לו להיות דל מאוד בפלט”. זו הסיבה שהלייזרים המניעים תקשורת אופטית עשויים מחומרים אקזוטיים יותר כמו אינדיום-פוספיד (InP) וגליום-ארסניד (GaAs).
מחסום נוסף מגיע כאשר, אם אתה מצליח לגרום לסיליקון לפלוט אות אור, אתה מערבב אותו עם אותות אחרים כדי לבצע חישוב. למרבה הצער, הסיליקון גם רע מאוד במשימה זו. “סיליקון סובל מאובדני אות גדולים בהספקים גבוהים, כלומר היכן שפוטונים רבים נמצאים במוליך גל הסיליקון”.
סיליקון פוטוניקס של היום
למרות החסרונות הללו, כמה התקני סיליקון פוטוניקס יצאו לשוק. חברת Luxtera מקליפורניה גברה על מתחרותיה כשהחלה לשווק את מוצרי התקשורת האופטיים שלה בשנת 2008. הפתרון שלה התבסס על שבבי סיליקון זעירים עם לייזרים InP)) מובנים ומובילי גל סיליקון שיכלו להעביר נתונים במהירות של עד Gbps 100 בין מחשבים באמצעות סיבים אופטיים בעובי של כמה מילימטרים בלבד”.
“מפעילי מרכזי נתונים עובדים בקדחתנות כדי לספק את רוחב הפס של הרשת כדי לתמוך בביקוש הבלתי יודע שובע של העולם לנתונים”, הסביר רון הורן מלוקסטרה. “לוקסטרה סיפקה כבר יותר ממיליון מקלטי משדר אופטיים, כולל פתרונות של Gbps 100 בנפח גבוה מאוד.”
ענקית הטכנולוגיה אינטל השיקה את הטכנולוגיה שלה בשנת 2016. גם IBM, סיסקו ואחרות עובדות על טכנולוגיה דומה, ואין ספק שחיבורים אופטיים יגרמו לטכנולוגיית הסיליקון פוטוניקס להשפיעה על ביצועיהם של מתגי תקשורת מהירים.
עם זאת, חיבורים אופטיים למתגי תקשורת הם רק ההתחלה. טכנולוגית הסיליקון פוטוניקס תתקדם ותחדור ליותר ויותר מחשבים ככל שהטכנולוגיה תתבגר ותאפשר למחשבי-על להגיע למהירות גבוהה יותר (1018 חישובים לשנייה) סביב כוח העיבוד של המוח האנושי ברמה העצבית. בשנת 2015, תיארו חוקרים אמריקאים במאמר שפורסם בירחון Nature כיצד הצליחו להדגים את המעבד ההיברידי הפוטוני-אלקטרוני הראשון שמשתמש באור לתקשורת מהירה במיוחד. המעבד כלל אריזה בעלת שתי ליבות מעבד עם יותר מ-70 מיליון טרנזיסטורים ו-850 רכיבים פוטוניים על גבי שבב בגודל x 6 3 מ”מ, הוא היה הראשון לשלב חיבורים פוטוניים, או כניסות ויציאות (I/O) הנדרשות כדי לדבר עם שבבים אחרים. באופן מדהים, לשבב היתה צפיפות רוחב פס של Gbps 300 ל-2 mm, שיפור של פי 10 עד 50 במיקרו-מעבדים אלקטרוניים בלבד.
יחד עם זאת, ההישג היה כרוך במגבלה משמעותית. הצוות היה צריך להשתמש באור לייזר שנוצר חיצונית כדי להאיר את השבב. עדיין נדרשה התקדמות משמעותית בפיתוח ושילוב לייזרים על-שבב לפני המסחור. עד לאחרונה ניתן היה לחבר מקורות אור לייזר לסיליקון רק בתהליכי ייצור מסובכים ומשוכללים. אבל לאחרונה גרגור קובלמולר וג’ונתן פינלי פיזיקאים מהאוניברסיטה הטכנית של מינכן עשו פריצת דרך משמעותית, ופיתחו תהליך להפקדת ננולייזרים ישירות על שבבי סיליקון. הצוות אייד שכבה דקה של תחמוצת סיליקון על פרוסת הסיליקון, ואז חרט בה חורים זעירים. לאחר מכן, הם גידלו ננו-חוטי GaAs עצמאיים מתוך החורים הללו. התוצאה! ננו-חוטי לייזר דקים פי 1,000 משערת אדם. אומר קובלמולר: “הגישה שלנו היא חדשנית ומציגה אינטגרציה סלקטיבית של ננולייזרים על פלטפורמת סיליקון.”
יתרונות בריאותיים
מרכזי עיבוד נתונים ותעשיית ה-IT לא יהיו המרוויחים היחידים מסיליקון פוטוניקס. CARDIS (איתור מחלות לב וכלי דם בשלב מוקדם בעזרת טכנולוגיה המשלבת סיליקון פוטוניקס) הוא פרויקט של האיחוד האירופי הבוחן את השימוש בסיליקון פוטוניקס לזיהוי אנשים בסיכון למחלות לב וכלי דם. המטרה היא לבנות מכשיר נייד בעלות נמוכה הדומה לסורק סופרמרקט ידני, המסוגל להעריך את הסימנים החיוניים של הלב בלחיצת כפתור אחת. הפרויקט מתבסס על מדידות רטט ויברומטר לייזר משולב של סיליקון פוטוניקס מרובה אלומות ללא מגע במשטח כדי למקד ולהעריך בקלות עורקים שטחיים. “שבב אלקטרוני לא יכול לעשות את העבודה מכיוון שהוא אינו מאפשר זיהוי ללא מגע של תנועת עור ברמת ננומטר”, מסביר מתאם הפרויקט רואל באטס מאוניברסיטת גנט. “השבב המשולב של סיליקון פוטוניקס מכיל את כל הפונקציונליות האופטית של מד רטט דופלר לייזר.באטס צופה שימוש בטכנולגיה במספר יישומים נוספים בתחום הרפואה כמו למשל ביצוע סקר וניטור גלוקוז רציף לחולי סוכרת, חישת יונים בזיעה וניתוח נשימה. כל היישומים הללו מסתכמים בשילוב חיישני סיליקון פוטוניקס, ולכן ניתן להנדס מכשירים רבים אחרים, כמו חיישני Lidar המשמשים כלי רכב אוטונומיים או חישה כימית לניטור סביבתי. “האינטרנט של הדברים ידרוש מיליארדי חיישנים מבוזרים בכל מקום בחברה שלנו. סיליקון פוטוניקס תהיה מועמדת חזקה לאפשר זאת”. מוסיף פרנדסן.
לסיכום ניתן לומר כי סיליקון פוטוניקס צפויה לגרום לשינוי משמעותי במגוון ישומים כולל מחשבי-על, מרכזי שרתים, ישומי IOT וחיישנים לאבחון מחלות, ניטור הסביבה או אפילו לזיהוי חומרי נפץ.
כנס ChipEx2022 יקדיש השנה מסלול הרצאות להצגת הטכנולוגיות החדישות ביותר לתחום הסיליקון פוטוניקס.
