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 ד"ר 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.

הפוסט ד"ר יעקב רויזין מטאואר: פוטוניקת סיליקון הופכת לתשתית מרכזית של מרכזי נתונים ל-AI הופיע לראשונה ב-Chiportal.

הצמיחה המהירה של יישומי בינה מלאכותית מציבה את מרכזי הנתונים בפני מגבלה פיזיקלית והנדסית ברורה: קשה יותר ויותר להעביר כמויות עצומות של מידע באמצעות חיבורי נחושת רגילים, בלי להיתקל בצריכת חשמל גבוהה, התחממות, השהיות ומגבלות קלט־פלט. בהרצאה שנשא בכנס ChipEx2026, הציג יעקוב רויזין מטאואר סמיקונדקטור את פוטוניקת הסיליקון כאחת הטכנולוגיות המרכזיות שיאפשרו להמשיך להגדיל את תשתיות ה־AI בשנים הקרובות.

לדברי רויזין, המגבלות המרכזיות של מערכות אלקטרוניות גדולות אינן נובעות רק מכוח החישוב של המעבדים עצמם. הן קשורות גם ליכולת להזיז נתונים במהירות בין מעבדים, זיכרונות, שרתים וארונות תקשורת. תשתיות AI מודרניות זקוקות להעברת מידע בהיקפים עצומים, ולעיתים צוואר הבקבוק אינו החישוב אלא התקשורת. כאן נכנסת לתמונה פוטוניקת הסיליקון: שימוש באור, במקום באלקטרונים בלבד, כדי להעביר מידע בקצבים גבוהים יותר ובצריכת אנרגיה נמוכה יותר.

רויזין חילק את האתגר לשלושה ממדי הרחבה. הראשון הוא Scale Up – הגדלת צפיפות החישוב בתוך ארון שרתים יחיד. השני הוא Scale Out – חיבור יעיל בין ארונות רבים באותו מרכז נתונים. השלישי הוא Scale Across – חיבור בין מרכזי נתונים במרחקים גדולים. בכל אחד מהמקרים, החיבור האופטי אמור להפחית את העומס על החיבורים החשמליים ולשפר את היחס בין ביצועים, רוחב פס וצריכת חשמל.

ממקלטים אופטיים נשלפים לאופטיקה משולבת במעבד

השימוש המסחרי המרכזי כיום בפוטוניקת סיליקון נמצא במקמ"שים אופטיים, רכיבים שממירים אותות חשמליים לאותות אופטיים ולהפך. רכיבים אלה מחברים בין שרתים, מתגים ומערכות מחשוב עתירות ביצועים. לפי רויזין, זהו כבר שוק גדול מאוד, בעיקר עבור חיבורי Scale Out במרכזי נתונים.

השלב הבא הוא מעבר ל־Co-Packaged Optics, או CPO. בגישה זו, הרכיבים האופטיים אינם נמצאים רק בקצה המערכת, אלא משולבים קרוב הרבה יותר לרכיבי החישוב והתקשורת החשמליים. קיצור המרחק שאותו צריכים לעבור האותות החשמליים מפחית הספק, מקטין השהיה ומאפשר רוחב פס גבוה יותר. טאואר עצמה הודיעה בנובמבר 2025 על טכנולוגיית יציקה חדשה ל־CPO, המבוססת על אינטגרציה תלת־ממדית בקנה מידה של פרוסות שבבים ועל שילוב בין פוטוניקת סיליקון לבין רכיבי SiGe BiCMOS. (Tower Semiconductor)

רויזין הדגיש כי אחד היתרונות של פוטוניקת סיליקון הוא התאמתה לתשתיות ייצור קיימות של CMOS. מפעלי יציקה שכבר צברו ניסיון של עשרות שנים בייצור שבבים יכלו להיכנס לתחום במהירות יחסית, כאשר הביקוש מצד מרכזי הנתונים, תשתיות AI ותקשורת 5G ו־6G החל לגדול. לפי הנתונים שהוצגו בהרצאה, טאואר מפעילה שישה מפעלי ייצור בעולם, וארבעה מהם מעורבים בייצור רכיבי פוטוניקת סיליקון, כולל המפעל במגדל העמק. החברה מדווחת על הרחבה מהירה של הקיבולת בתחום זה, עם גידול של פי ארבעה בשנה שעברה וצפי לגידול נוסף השנה.

הכיוון הטכנולוגי ברור: רוחבי הפס עולים במהירות. כיום מדובר במערכות של 1.6 טרה־ביט לשנייה, כאשר היעד הבא הוא 3.2 טרה־ביט לשנייה. במרץ 2026 הודיעו טאואר ו־Coherent על הדגמה של העברת נתונים בקצב 400 גיגה־ביט לשנייה לערוץ, באמצעות מודולטור סיליקון בתהליך פוטוניקת סיליקון המתאים לייצור, כצעד לעבר מקמ"שים אופטיים של 3.2 טרה־ביט לשנייה. (Tower Semiconductor)

האתגר הבא: מקורות אור, מודולטורים ואינטגרציה תלת־ממדית

לצד הייצור עצמו, רויזין הצביע על כמה אבני בניין שיקבעו את קצב ההתקדמות של התחום. אחת מהן היא שילוב מקורות אור על גבי שבב פוטוני. בין הפתרונות שהוזכרו נמצאים לייזרים מבוססי אינדיום פוספיד, המשולבים כ־chiplets בתוך שבבי פוטוניקת סיליקון, וכן מקורות אור מסוג VCSEL, שמתחילים להראות יכולות מודולציה גבוהות במיוחד.

מרכיב מרכזי נוסף הוא המודולטור – הרכיב שמקודד מידע על גבי האור. מודולטורים מבוססי אינדיום פוספיד או ליתיום ניובט יכולים לפעול בקצבים גבוהים מאוד, ובכך להגדיל את כמות המידע שניתן להעביר בכל ערוץ אופטי. לצד זאת, רויזין התייחס גם לרכיבי סיליקון ניטריד, המתאימים ליישומים שבהם נדרש אובדן אופטי נמוך במיוחד, למשל בתחומים כמו מחשוב קוונטי או רכיבים לא־ליניאריים.

תחום נוסף שהוזכר הוא מטא־חומרים. אלה מבנים זעירים מאוד, שמאפשרים לשלוט באור בדרכים שקשה להשיג באופטיקה קלאסית. באמצעות תכנון וייצור מדויקים של מבנים כאלה ניתן ליצור אלמנטים אופטיים חדשים, לשפר ביצועים ולהקטין את שטח הרכיבים.

בסופו של דבר, המסר המרכזי של ההרצאה היה שפוטוניקת סיליקון אינה רכיב נלווה בלבד, אלא שכבת תשתית מרכזית בדור הבא של מרכזי הנתונים. היא אינה מחייבת בהכרח את צומתי הייצור האלקטרוניים המתקדמים ביותר, אך היא דורשת שליטה עמוקה בחומרים, ליתוגרפיה, אינטגרציה תלת־ממדית, תכנון אלקטרוני־אופטי וייצור בנפחים גדולים. בעולם שבו מודלי AI גדולים דורשים עוד ועוד רוחב פס, הטכנולוגיה הזאת עשויה לקבוע לא רק כמה מהר המערכות יחשבו, אלא גם כמה ביעילות הן יצליחו לדבר זו עם זו.

הפוסט פוטוניקת סיליקון תהפוך לתשתית מרכזית בדור הבא של מרכזי הנתונים ל־AI הופיע לראשונה ב-Chiportal.