מוליכים למחצה הם ככל הנראה הטכנולוגיה המאפשרת החשובה ביותר של המאה העשרים ואחת. עד כה, "מרוץ החימוש" של מוליכים למחצה בין ארצות הברית לסין התאפיין ברובו במרוץ ליצור כמה שיותר טרנזיסטורים על פרוסות סיליקון במקסימום יעילות אנרגטית. ככל שהעוצמה והיעילות גדולים יותר, כך ניתן לאמן ולהפעיל אלגוריתמי בינה מלאכותית (AI) בצורה מדויקת, מהירה וחסכונית יותר.
עם זאת, כאשר חוק מור מתקרב לקיצו וגודל המוליכים מגיע לשיא הצפיפות, תעשיית המוליכים למחצה מחפשת דרכים אחרות כדי לשפר את הביצועים – במיוחד כשההתקדמות ב-AI מניעה את הביקוש להגברת כוח המחשוב. אחת הטכנולוגיות המבטיחות ביותר בתחום היא סיליקון פוטוניקס. יש לה פוטנציאל להפחית את זמן ההשהיה תוך הגדלת יעילות הביצועים ע"י מתן אפשרות ייצור של רכיבים פוטונים על סיליקון תוך שימוש בתהליכי הייצור הסטנדרטים של מוליכים למחצה. כיום יש אנשים בתעשיה הסינית המאמינים כי זה מה שיכול לשנות את קווי המתאר בתחרות בין ארה"ב לסין על השליטה במוליכים למחצה מתקדמים.
האם ניתן לפרוץ את המצור הטכנולוגי?
טכנולוגית סיליקון פוטוניקס היא חידוש שאיפשר ייצור של רכיבים פוטוניים ישירות על סיליקון. פוטוניקה, להבדיל מאלקטרוניקה, עושה שימוש בפוטונים (רכיבי אור) ולא באלקטרונים כדי להעביר מידע. השילוב שלהם לצד האלקטרוניקה טומן בחובו הבטחה ליצור מערכות מחשוב בקנה מידה גדול עם רוחב פס גבוה יותר וביעילות אנרגטית משופרת החורגת מהמגבלות הפיזיות של שבבים אלקטרוניים מסורתיים.
בקרב אנשי תעשית הטכנולוגיה הסינית יש המאמינים כי לסיליקון פוטוניקס יש פוטנציאל לעזור לסין לשבור את המצור שהטיל העולם המערבי בהובלת ארה"ב על סין. צ'ן וונלינג, כלכלן בולט בצוות החשיבה הנתמך על ידי ממשלת סין זיהה בדיון שנערך במרץ 2023 את הסיליקון פוטוניקס כטכנולוגיה אשר תאפשר לסין "לשנות נתיבים" ולעקוף את מגבלות המצור שהוטל עליה.
כיום, נערכת סין לבניית קווי ייצור של שבבים פוטוניים דבר שעשוי לסייע לה להיות בחזית העולם מבחינת שבבים פוטוניים. לשבבים פוטוניים יתרונות טכניים רבים. מהירות החישוב שלהם גבוהה יותר ויכולת העברת המידע שלהם גדולה יותר. יש הטוענים כי מדובר במהירות של פי 1,000 יותר מהשבבים הנוכחיים מבוססי סיליקון.
קוו ייצור השבבים הפוטוניים נבנה על ידי חברה סינית בשם Sintone שמושבה בבייג'ינג. על פי הדיווח הסיני, נשיא סינטון ציין שלסין יש את היכולות לייצר שבבים פוטוניים באופן מקומי מכיוון שהייצור שלהם אינו מצריך מכונות ליתוגרפיה אולטרה סגולות קיצוניות – ציוד מתקדם לייצור מוליכים למחצה שסין אינה יכולה לרכוש בגלל בקרת יצוא בהובלת ארה"ב . עם זאת, מצבו של קו ייצור השבבים הפוטוניים עדיין לא ברור.
פוטוניקה זוכה לאזכור גם בתוכנית החומש ה-14 של סין אך חשוב להבהיר כי הפחתת ההסתמכות על טכנולוגיות זרות ומשאבים מיובאים, דורשת הקמת מספר מעבדות לאומיות עם התמקדות במידע קוונטי, פוטוניקה ואלקטרוניקה מיקרו וננו, תקשורת רשת ובינה מלאכותית.
האם אכן פוטונים יכולים להחליף אלקטרונים?
אך בניגוד למה שחושבים הסינים נראה ששבבים פוטוניים לא הולכים להחליף שבבים אלקטרוניים – לפחות לא בעתיד הקרוב. במקום זאת, הקשר בין פוטוניקה ואלקטרוניקה מובן טוב יותר כסימביוטי. עם זאת, נראה שחלק מההתפתחויות האחרונות מצביעות על כך שסיליקון פוטונקיס יכולה לאפשר לסין לפחות נתיב חלקי לקצה המוביל של ייצור מוליכים למחצה שאינו דורש את הציוד המתקדם ביותר לייצור מוליכים למחצה (SME).
היישום המיידי ביותר של סיליקון פוטונקיס הוא בצורה של חיבורים אופטיים. כלומר, החלפת חיווט הנחושת במעגלים פוטוניקה כדי להאיץ את העברת המידע בין מעבדים ו/או זיכרון, הפחתת צווארי הבקבוק של הקלט/פלט העומדים כיום בלב מחשוב הבינה המלאכותית. כאשר העברת נתונים ולא עיבוד נתונים היא צוואר הבקבוק, שילוב של חיבורים אופטיים יכול להגביר את הביצועים של מערכת מחשוב מעבר לאלו של מערכת מבוססות רכיבים אלקטרונים אך ללא חיבורים אופטיים.
נראה שזה מה ש-Lightelligence, חברת מחשוב אופטי הממוקמת בארה"ב אך ממומנת ע"י גורמים סינים, משיגה או מתיימרת להשיג, עם מאיץ הבינה המלאכותית שנחשף לאחרונה: Hummingbird. Hummingbird משתמשת בחיבורים אופטיים כדי לחבר שבבים אלקטרוניים שיוצרו על ידי חברת TSMCg בתהליך של 28 ננומטר (ננומטר) – רחוק מהקצה המוביל הנוכחי והרבה בתוך יכולות ייצור המוליכים למחצה המקומיים של סין. בכך, טוענים הסינים כי הם מצליחים להגיע למדדי ביצועים ויעילות אנרגטית העולים על אלו של מתחרים במשימות AI מסוימות.
יישום נוסף של סיליקון פוטונקיס הוא בתחום המתהווה יותר של מחשוב אופטי. במחשוב אופטי, מעבדים פוטוניים מבצעים חישובים באמצעות אור ולא אלקטרונים. למרות שסוגי החישובים שמעבדים פוטוניים אלה מסוגלים לבצע מוגבלים כיום, מחשוב אופטי מראה הבטחה מיוחדת לביצוע פעולות כפל מטריצה. סוג זה של חישוב מהווה במקרה יותר מ-90 אחוז מפעולות ההסקה ברשתות העצביות המהוות את הבסיס למודלים של שפות גדולות, ובינה מלאכותית יותר באופן כללי, המניעה כיום את ההתקדמות המרהיבה ביותר ב-AI כפי שמתגלמת במערכת הבינה המלאכותית הג'נרטיבית ChatGPT של OpenAI.
בשנת 2021, לפני שחרורו של Hummingbird, Lightelligence חשפה גם מערכת מחשוב אופטית בשם Photonic Arithmetic Computing Engine, או PACE. PACE מארז בשיתוף שבבים משולבים פוטוניים ואלקטרוניים כדי להשיג מהירויות עיבוד מפורסמות של פי 25-100 מהר יותר מה-GPU המוביל בתעשייה של NVIDIA ביישומים עתירי מחשוב מסוימים.
בהתבסס בין השאר על הצהרותיו של Shen, נראה שפריצות דרך במחשוב אופטי יכולות לאפשר בנייה של מערכת מחשוב המשתמשת במעבדים פוטוניים הנתמכים על ידי אלקטרוניקה ישנה, או לפחות לא המתקדמת ביותר, המבצעת גם משימות מסוימות הקשורות ל-AI. טוב יותר ממערכת אלקטרונית המשתמשת באלקטרוניקה המתקדמת ביותר. בעוד ש-Lightelligence אינה מפרטת את צמתי התהליך שבהם מייצרים את האלקטרוניקה של PACE, לפי הדיווחים Lightmatter משתמשת באלקטרוניקה של 12 ננומטר כדי לתמוך בפוטוניקה שלה, המיוצרת בתהליך של 90 ננומטר, וטוענת כי היא מצליחה להגיע לביצועי מחשוב מעולים במשימות מסוימות הקשורות לבינה מלאכותית בהשוואה ל-A100 של Nvidia, המשתמשת בתהליך של 7 ננומטר.
לאחרונה, דווח כי חוקרים מאוניברסיטת Tsinghua פיתחו שבב משולב פוטוני שלטענתם משיג ביצועים במהירות של פי 3,000 וחסכוניות באנרגיה פי 4 מ"יחידת עיבוד גרפיות מהשורה הראשונה" בחלקים מסוימים. משימות AI הקשורות לראייה ממוחשבת. השבב, המכונה שבב All-Annalogue המשלב אלקטרוניקה ואור, או"ACCEL", יוצר גם על ידי SMIC – יצרנית המוליכים למחצה המובילה בסין – תוך שימוש בתהליך CMOS של 180 ננומטר, שהוא תהליך ייצור ממוסד בן עשרות שנים.
לסיכום, בהנחה שטכנולוגית הסיליקון פוטוניקס תומכת ומאפשרת להגיע לביצועים גבוהים ותחרותים היא עשויה לשנות את מצב התחרות בין ארה"ב לסין על מוליכים למחצה ובינה מלאכותית. הסדרה האחרונה של בקרות יצוא בהובלת ארה"ב ביקשה לנתק את סין מה-SME המתקדם ביותר הדרוש לייצור שבבים לוגיים מתחת לתהליכים של 16-14 ננומטר, תוך מניעת ייבוא השבבים המתקדמים ביותר הדרושים כדי להכשיר ולתפעל את אלגוריתמי הבינה המלאכותית המתקדמים. יחד עם זאת, נראה כי ההתקדמות האחרונה בסיליקון פוטונקיס מעידה על כך שסין תוכל לייצר באופן מקומי, אפילו ללא ה-SME המתקדמות ביותר, מערכות מחשוב המתפקדות טוב יותר במשימות בינה מלאכותיות חשובות מאשר מקבילותיהן האלקטרוניות המלאות.
עם זאת, למרות הביצועים הטובים שלהם, אין להפריז ביכולות הנוכחיות של מעבדים פוטוניים, שכן היכולות שלהם נותרות ממוקדות בתחום צר. היישום המצומצם הזה עומד בניגוד לאופי התכליתי הכללי של עמיתיהם האלקטרוניים. בנוסף, עדיין קיימים מחסומים טכניים רבים לאימוץ נרחב של סיליקון פוטונקיס. מיחשוב אופטי דורש גם פיתוחי תוכנה במערכות הפעלה ויישומים כדי לייעל את היכולות שלהם. ביחד, המציאות של מחשוב אופטי רחוקה אולי שנים, אם לא עשרות שנים. עם קצב ההתקדמות הנוכחי בתחום הבינה המלאכותית בו הגודל של מודלי שפות גדולות (LLM) מוכפל כל 3.5 חודשים – כל עיכוב יכול להיות קריטי. כמו כן, חברות מוליכים למחצה מובילות בארצות הברית, כמו גם חברות במדינות בעלות ברית ושותפות, מתחילות להקדיש משאבים רבים יותר לסיליקון פוטונקיס מה שמקטין את האפשרות לעליונות סינית בתחום.
