בהרצאה ב-ChipEx2026 הציג רויזין כיצד חיבורים אופטיים, לייזרים משולבים ו-Co-Packaged Optics מסייעים להתמודד עם צווארי הבקבוק של תשתיות AI.
הביקוש הגובר למחשוב בינה מלאכותית משנה לא רק את שוק המעבדים, אלא גם את האופן שבו מרכזי נתונים מעבירים מידע בין שבבים, שרתים, מדפים ומרכזי נתונים שלמים. בהרצאה שנשא פרופ' יעקב רויזין מטאואר סמיקונדקטור בכנס ChipEx2026, הוא הציג את פוטוניקת הסיליקון כאחת הטכנולוגיות המרכזיות שיאפשרו להמשיך להגדיל את תשתיות ה-AI בעשור הקרוב.
רויזין התמקד בהרצאתו בנושא Scaling Silicon Photonics for Artificially Intelligent Data Centers. לדבריו, אחד האתגרים המרכזיים של תעשיית המחשוב כיום אינו רק בניית מעבדים חזקים יותר, אלא העברת כמויות עצומות של מידע ביניהם במהירות גבוהה, בצריכת הספק נמוכה ובשטח פיזי קטן ככל האפשר. כאן נכנסת לתמונה פוטוניקת הסיליקון, המשתמשת באור במקום באלקטרונים לצורך העברת מידע על גבי שבבים ובין מערכות.
הצורך הזה נובע משלוש מגבלות מוכרות בתשתיות מחשוב גדולות. הראשונה היא מגבלת ההספק: ככל שמעבירים יותר מידע דרך חוטי נחושת, גדלים ההפסדים והחום. השנייה היא מגבלת הקלט-פלט: מערכות AI נדרשות להזרים כמויות עצומות של נתונים מחיישנים, זיכרונות ומערכות חיצוניות. השלישית היא מגבלת הזיכרון: המעבדים נעשים מהירים יותר, אך הגישה לזיכרון אינה תמיד עומדת בקצב. חיבורים אופטיים יכולים להקל על שלוש המגבלות האלה, משום שהם מאפשרים העברת נתונים מהירה יותר ובצריכת אנרגיה נמוכה יותר.
בהרצאה הוצגו שלושה סוגי הרחבה של תשתיות AI. הראשון הוא Scale-Up, כלומר הגדלת כוח החישוב בתוך מדף או מערכת אחת. השני הוא Scale-Out, שבו מחברים מספר גדול של מדפים בתוך מרכז נתונים. השלישי הוא Scale-Across, כלומר חיבור בין מרכזי נתונים מרוחקים. פוטוניקת סיליקון רלוונטית לכל הרמות האלה, משום שכל אחת מהן דורשת יותר רוחב פס, פחות השהיה ופחות צריכת הספק לכל ביט מידע.
רויזין הסביר כי השוק נשען כיום במידה רבה על רכיבים אופטיים ניתנים לשליפה, Pluggable Optics. רכיבים אלה ממירים אותות חשמליים לאותות אופטיים ולהפך, ומאפשרים חיבור מהיר בין שרתים ומתגים באמצעות סיבים אופטיים. זהו שוק גדול מאוד, המשמש בעיקר להרחבת מרכזי נתונים ברמת Scale-Out. אולם הדור הבא מתקדם לעבר Co-Packaged Optics, שבו החלק האופטי משולב קרוב הרבה יותר למעבד או למתג עצמו. צמצום המרחק שהאות החשמלי צריך לעבור לפני שהוא מומר לאור מפחית הספק, מקצר השהיה ומאפשר רוחב פס גבוה יותר.
אחד המסרים החשובים בהרצאה היה שפוטוניקת סיליקון אינה מחייבת בהכרח את קווי הייצור המתקדמים ביותר מבחינת גודל טרנזיסטור. בניגוד למעבדי עיבוד כלליים או מאיצי AI, שבהם כל דור מתקדם לננומטרים קטנים יותר, בפוטוניקה ההתקדמות נמדדת גם ברוחב פס, באיכות המודולטורים, בשילוב מקורות אור, בהפסדים אופטיים נמוכים ובצמצום שטח המעגל הפוטוני. לכן מפעלי ייצור CMOS קיימים יכולים למלא תפקיד מרכזי בהאצת התחום.
לפי המצגת, לטאואר יש כבר פעילות רחבה בתחום. ארבעה מתוך ששת מפעלי הייצור של החברה, ובהם גם המפעל במגדל העמק, מייצרים רכיבי פוטוניקת סיליקון. לפי רויזין, קיבולת הייצור בתחום גדלה פי ארבעה בשנה שעברה, וצפויה לגדול פי חמישה השנה. המוצרים המרכזיים הם משדרים-מקלטים אופטיים, כאשר הדור הנוכחי מגיע לקצבים של 1.6 טרה-ביט לשנייה, והיעד הבא הוא 3.2 טרה-ביט לשנייה.
מערכת פוטונית טיפוסית מבוססת על פרוסות Silicon-on-Insulator, שבהן שכבת סיליקון דקה בעובי של כ-220 ננומטר משמשת להובלת אור. בתוך השבב משולבים מוליכי גל מסיליקון או מסיליקון ניטריד, מודולטורים, גלאי גרמניום לאור בתחום האינפרא-אדום, ומבנים שמאפשרים לחבר את האור אל סיב אופטי או ממנו. המטרה היא להפוך את האור למוביל מידע בתוך עולם שנבנה במקור סביב אותות חשמליים.
רויזין תיאר גם כמה אבני בניין חדשות שמאפשרות להמשיך להגדיל את הביצועים. אחת מהן היא שילוב מקורות אור בתוך שבב הפוטוניקה עצמו. דוגמה לכך היא שילוב שבבי לייזר מבוססי אינדיום פוספיד בתוך שבבי פוטוניקת סיליקון. כיוון נוסף הוא שימוש במודולטורים מתקדמים, ובהם מודולטורים מבוססי אינדיום פוספיד או ליתיום ניובט, שיכולים לפעול בתדרים גבוהים במיוחד. טכנולוגיות כאלה נועדו לאפשר העברת מידע בקצבים גבוהים יותר ובצריכת אנרגיה נמוכה יותר.
תחום נוסף שהוזכר בהרצאה הוא שימוש בסיליקון ניטריד, חומר שמאפשר הפסדים אופטיים נמוכים מאוד ומתאים גם ליישומים רגישים כמו מחשוב קוונטי. לצד זאת, רויזין התייחס למטה-חומרים, כלומר מבנים זעירים שמנצלים תכנון ננומטרי מדויק כדי להשפיע על התנהגות האור בדרכים שאינן אפשריות באופטיקה רגילה. השימוש במטה-חומרים עשוי לאפשר רכיבים קטנים יותר, מהירים יותר ויעילים יותר.
המעבר ל-Co-Packaged Optics מחייב גם טכנולוגיות שילוב מתקדמות. בהרצאה הוזכרו TSV, חיבורי Through-Silicon Via, קישור בין פרוסות, ושילוב חומרים אורגניים לצורך יצירת עדשות או מבנים אופטיים מיוחדים. כל אלה נועדו לקרב בין השבב החשמלי והשבב האופטי, לקצר את המסלול החשמלי ולהעביר כמה שיותר מהתקשורת אל המרחב האופטי.
החשיבות של פוטוניקת הסיליקון גדלה משום שמרכזי הנתונים של AI כבר אינם מתמודדים רק עם כוח עיבוד. הם מתמודדים עם בעיית תנועה של מידע. מודלים גדולים דורשים העברה רציפה של נתונים בין מאיצים, זיכרונות, מתגים ואחסון. אם התקשורת בין הרכיבים אינה עומדת בקצב, המעבדים עצמם ממתינים לנתונים והמערכת כולה מאבדת יעילות. לכן התעשייה מחפשת פתרונות שיקטינו את עלות האנרגיה של כל ביט מידע ויגדילו את רוחב הפס הזמין.
המסר המרכזי מהרצאתו של רויזין הוא שפוטוניקת סיליקון עוברת ממעמד של טכנולוגיה נישתית לתשתית הנדסית מרכזית של עידן ה-AI. היא אינה מחליפה את השבבים האלקטרוניים, אלא משלימה אותם ומאפשרת להם לפעול בקנה מידה גדול יותר. ככל שמרכזי הנתונים נעשים צפופים, מהירים ותובעניים יותר, החיבור בין עולם ה-CMOS לעולם האופטי הופך לאחד המפתחות להמשך ההתרחבות של תשתיות הבינה המלאכותית.
