האיחוד האירופי התחייב לתמוך בייצור פיילוט של שבבים פוטוניים בהולנד עם השקעה של €133 מיליון (142 מיליון דולר), כך מסר משרד הכלכלה ההולנדי. יוזמה זו היא חלק מקרן כוללת של €380 מיליון במסגרת פרויקט המוליכים למחצה האירופי, יוזמה ציבורית-פרטית לחיזוק תעשיית המוליכים למחצה באירופה. מוליכים למחצה פוטוניים, המשתמשים באור במקום באלקטרונים לחישובים, מבטיחים מהירות ויעילות אנרגטית גבוהות יותר וחשובים יותר ויותר בתחומים כמו מרכזי נתונים וטכנולוגיה לרכב.

שר הכלכלה ההולנדי דירק בליארטס הדגיש את הפוטוניקה כ"טכנולוגיה בעלת חשיבות אסטרטגית" לתחרותיות הכלכלית של אירופה. על ידי בניית יכולות מקומיות חזקות במחקר, חדשנות ושרשרות אספקה, האיחוד שואף לצמצם את התלות ביריבים טכנולוגיים עולמיים. המהלך מגיע לאחר קריאות מצד מנהיגים בתעשייה האירופית להשקעה משמעותית מצד האיחוד כדי לשמור על קצב התקדמות מול אסיה וארה"ב.

מתקני הפיילוט ההולנדיים, שמתוכננים להתחיל בהקמתם ב-2025, יערבו את אוניברסיטאות איינדהובן וטוונטה ואת מכון המחקר TNO, בשיתוף פעולה עם חברות שישתמשו בתשתיות החדשות.

הפוסט האיחוד האירופי משקיע בייצור שבבים פוטוניים בהולנד הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חברת Quantum Source, חברה ישראלית המפתחת את הטכנולוגיה הדרושה להבאת מחשבים קוונטיים פוטוניים לשוק, הודיעה היום כי גייסה סבב גיוס סיד של 12 מיליון דולר בהובלת Dell Technologies Capital ובהשתתפות 10D וכן המשקיעים הקיימים Eclipse VC, Grove Ventures ו-Pitango First. ההרחבה מביאה את סבב הסיד הכולל של Quantum Source ל-27 מיליון דולר, אחד מגיוסי הסיד הגדולים ביותר בתחום המחשוב הקוונטי.

Quantum Source מגייסת 12 מיליון דולר נוספים להמשך פיתוח הפלטפורמה שלה שתאיץ באופן דרמטי את החדשנות בתחום המחשוב הקוונטי הפוטוני.

סבב גיוס נוסף זה, בסך 12 מיליון דולר, ישמש להרחבת צוות המחקר והפיתוח ככל שהחברה תתרחב כדי להגיע לאבני דרך טכניות וביצועיות משמעותיות.

Quantum Source, שהוקמה בשנת 2021 על ידי צוות של ותיקי תעשיית המוליכים למחצה ופיזיקאים , מפתחת טכנולוגיה שתאפשר יישום יעיל של מחשבים קוונטיים פוטוניים בקנה מידה גדול, עמידים בפני תקלות. עד כה, חברות בנו מחשבים קוונטיים קטנים עם עשרות או מאות קיוביטים בלבד. בעוד שמחשבים קוונטיים בסיסיים אלה הם באמת טכנולוגיה פורצת דרך, המערכות עדיין אינן בנות קיימא מבחינה מסחרית.

Quantum Source שואפת לבנות מערכות קוונטיות עמידות בפני תקלות בקנה מידה של מיליוני קיוביטים ושיהיה להן פוטנציאל לשחרר האצה דרמטית בתחומים מתקדמים רבים הכוללים תכנון תרופות, פיתוח חומרים, אבטחת סייבר ועיבוד מערכי נתונים גדולים עבור יישומי AI.

"הקמנו את Quantum Source מתוך אמונה שטכנולוגיות קוונטיות פוטוניות הן הדרך הטובה ביותר להשיג מחשבים קוונטיים בקנה מידה גדול ועמידים בפני תקלות. הגישה הייחודית שלנו תשפר באופן דרמטי את יכולת ההרחבה של מכונות אלה ותהיה המפתח להצלחה מסחרית של מחשבים קוונטיים", אמר עודד מלמד, מייסד שותף ומנכ"ל Quantum Source. "העובדה שמשקיעים כמו Dell Technologies Capital מאמינים בנו תאפשר לנו להאיץ את העבודה שלנו ובהרחבה, תעשיות שלמות".

את Quantum Source מובילים ארבעה מייסדים: המנכ"ל עודד מלמד; סמנכ"ל מחקר ופיתוח, גיל סמו; המדען הראשי פרופ' ברק דיין; והיו"ר דן חרש. ההנהגה הבכירה ייסדה בהצלחה, הרחיבה ומכרה חברות טכניות עמוקות לאפל, ברודקום וסוני. עם יותר מ -170 מאמרים שפורסמו ביניהם, הצוות הרחב מורכב מ -18 דוקטורטים בפיזיקה או הנדסת חשמל מאוניברסיטאות מכובדות כולל Caltech, אוניברסיטת קולומביה, MIT, מכון וייסמן למדע ואוניברסיטת ייל.

הפוסט קוונטום סורס הישראלית גייסה 12 מ' ד' בהובלת דל טכנולוג'יז קפיטל הופיע לראשונה ב-Chiportal.

ככל שחוק מור ממשיך להאט את ההתקדמות בקצב פחות צפוי, טכנולוגיות תכנון חדשות יותר כמו פוטוניקה משולבת ותכנוני3D IC  (מעגלים תלת מימדיים) הופכים פופולריים יותר ויותר בקרב מפתחים בתעשיית השבבים.

בעוד ששתי הטכנולוגיות הללו אינן מייצגות מושגים חדשים, היכולת המתקדמת שלהן להניע ביצועים גבוהים יותר, בהספק נמוך יותר או בעלות מופחתת בתהליכי התכנון והייצור עוזרת מאד להניע את האימוץ שלהן.

נתחיל בפוטוניקה. המחקר על מינוף כוחו של האור החל עם המצאת הלייזר בשנות ה-60. התופעה נוצרה במטרה לנצל את האור כדי לבצע את הפונקציות שבדרך כלל בוצעו בעזרת אלקטרוניקה רגילה.

בשבבים התקניים, האלקטרונים עוברים דרך רכיבים חשמליים. במעגלים פוטונים לעומת זאת, מעבדים ומפיצים מידע באמצעות פוטונים העוברים דרך רכיבים אופטיים כמו לייזרים, מוליכי גל, מאפננים וכו'. תחום הפוטוניקה הפך למיינסטרים בתכנון שבבים עבור המאפיינים הייחודיים של האור המאפשרים לשבבים וצ'יפלטים פוטוניים להעביר מידע למרחקים עצומים. במהלך השנים, גילו חוקרים שע"י מניפולציה של תכונות האור, ניתן לייצר מכשירים ומערכות המחקים מכשירים חשמליים טיפוסיים כמו מגברים, מתגים ומסננים.

על ידי המעבר לפוטוניקה, מתכנני שבבים יכולים לצפות לשיפורים בסדרי גודל גם במהירות העברת הנתונים, גם בצריכת החשמל וגם ברגישות עבור מספר תחומים של חישה והדמיה.

כיום, אנו רואים יותר ויותר הזדמנויות עבור יישומים פוטוניים להשתלב בתהליכי התכנון והייצור של מערכות, התקנים ו. ICs- בעזרת מעגלים משולבים פוטוניים, (PICs)  תעשיות כמו טלקום,תקשורת נתונים ((Datacom ויישומי חישה גבוהה כגון LiDAR  ו  Biosensing- משיגות ביצועים ורזולוציה גבוהים יותר בהספק נמוך יותר. ככל שחברות נוספות ימשיכו להשקיע בארכיטקטורות חדשות כגון מיחשוב אופטי ומיחשוב קוונטי פוטוני, הצמיחה ביישומים אלה תעצב את שיקולי התכנון של מקלט משדר אופטי, כאשר בקרוב תופיע המגמה של שבבי קלט/פלט אופטיים קרובים או ארוזים יחד ופוטוניקה משולבת.

תכנון מדורג עפ"י אמות מידה

בעוד שהפוטוניקה היא טכנולוגיה מבטיחה, האתגר שמתכננים חייבים להיות מודעים אליו הוא קנה המידה. עקרונות הפוטוניקה מעדיפים עיקולים במקום פינות חדות, מה שאומר ששטח ספציפי שהמעגל הפוטוני צורך נוטה להיות הרבה יותר גדול מ- IC חשמלי. בדרך כלל, מתכננים יודעים לייצר IC דיגיטלי גדול עם טרנזיסטורים רבים עפ"י מגבלות הייצור. אך בפוטוניקה, רגישות הייצור היא הרבה יותר גדולה ממה שהמתכננים רגילים אליו. התעשייה עובדת קשה כדי לספק למתכננים ערכות תכנון תהליכים בוגרים (PDK) המשלבות את האלוצים הללו.

כאמור, פוטוניקה היא לא התחום היחיד הצובר פופולריות בקרב מתכנני שבבים. D ICs 3 מהווה טרנד מרכזי כולל ישומי מרכזי נתונים, בינה מלאכותית , בינה מלאכותית, 5G , HPC  ועוד.

המעבר מתכנון D IC 2  ל-D IC 3 מאתגר

בהשוואה לתכנון מעגלים דו מימדים ו-D IC 2.5, ארכיטקטורות תלת מימד הן פתרון אופטימלי עבור ישומים עתירי כח מיחשוב ע"י שילוב תלת-ממדי קיצוני, הטרוגני והומוגני – תכונה החסרה לארכיטקטורות דו-ממדיות. ביישומים ניידים משתמשים כעת ב-D IC 3 בשל הדרישה לביצועים טובים יותר בקנה מידה מוגבל ביותר.

אמנם יצירת מספר מערכות-על-שבבים (SoCs) וערימתם יחד נראית פשוטה, אך המעבר מארכיטקטורה דו-מימדית לתלת-מימד אינו קל.

בעולם ה-D IC 2 מתכנני השבבים יודעים להתמודד עם  פיתוח הSoCs-  שלהם באמצעות סט של כלים, מתודולוגיות ותכנון זרימה. במעבר לתלת מימד המתכננים מחפשים את אותה קבוצה של תכנוני זרימה ומתודולוגיות עבור תהליכי התכנון והאימות שלהם. עם זאת, המתכננים חייבים ליצור את תכנוני ה-D 2.5 וה- 3D IC שלהם בסביבה מפוצלת מאוד המאופינת על ידי פתרונות נקודתיים שונים ללא דרך לחבר אותם ביעילות.  בלית ברירה, המתכננים מבצעים הערכות ידניות כדי לקבוע כיצד להציב את ה IPs- שלהם על כל בלוק והיכן למקם בצורה המיטבית  מיקרו בליטות וTSV-  המשויכות לכך. כל זאת כדי ליצור את ארכיטקטורת שילוב המערכת האופטימלית ביותר. מכיוון ש-D IC 3 יכול להתאים למאות מיליוני חיבורים, היעדר ניתוח ומשוב משולבים הופך את המשימה הזו ללא מעשית ולא יעילה.

כיום ניתן לומר כי הפעלת תכנונים מורכבים יותר ויותר, קפיצה מכלים שונים ליישום תכנון, ניתוח חתימה וחקירת תכנון, אינן דרך יעילה להתרחבות.

אתגר נוסף בתכנון D IC 3 הוא יעילות זרימת העבודה בקרב צוותים שונים המעורבים בתהליך התכנון, כגון אריזה, יצירת/אינטגרציה של IP ,הטמעה, תכנון וכו'. בדרך כלל, בתכנוני D IC 2 מסירת התכנון המושלם ברמת השבב ל- צוות האריזה יהיה קל יחסית. לעומת זאת, בתכנוניD ICs 3 ייתכן שהתכנון המתקבל לא יעמוד בביצועים לאחר האריזה, מה שיוביל להרבה יותר הליכה קדימה ואחורה. זה נובע מהאופן שבו מתרחשת האופטימיזציה ברמת המערכת וזה תלוי כמובן במתכנני השבבים שיצליחו לחלץ את הביצועים המקסימליים של התכנון ברמה הארכיטקטונית.  ב2D SoC –  מסורתי, רמת ההפשטה התפתחה מהטרנזיסטור לרמת הIP-  בעוד שהפשטת D IC 3 מתרחשת ברמת ה . Chiplet- בהתחשב בכך ש Chiplets- יכולים להיות בצמתי תהליך שונים ולתמוך בפונקציות שונות, אופטימיזציה של תכנוני Chiplets כדי לעמוד ביעדי ביצועים היא הרבה יותר מאתגרת.

אתגרים נוספים צפויים עם ארכיטקטורת D IC 3 בתחומים כמו ניהול תרמי ובדיקות. פיזור חום לקוי או מופרז, עלולים לנבוע מתכנון לקוי של רצפה תלת מימדית ולחסום את ביצועי המערכת .

בצד הבדיקות יש צורך בגישת תכנון לבדיקות כדי לזהות את הנקודות הבעייתיות לאורך הערימה כולה מכיוון שכלי בדיקה יכולים לגשת רק לקובייה התחתונה. כמות האתגרים המתעוררים בעת המעבר מארכיטקטורת דו-ממדית לתלת-ממדית, מחייבת לתעדף את חלוקת זרימת העבודה בין צוותים שונים וחיונית להשגת תוצאות מקסימליות.

השלב הבא

תחום הפוטוניקה וה-D IC 3 מביאים הזדמנויות חדשות ומרגשות בתכנון וייצור שבבים. השימוש בפוטוניקה דורש את הטכניקות המתאימות, ואת הכלים העדכניים ביותר, אך אין ספק שנראה יותר ויותר ישומים המשלבים פוטוניקה, במקביל לכך שהמהנדסים ילמדו כיצד לייעל את תכנוניהם בצורה המיטבית כדי להשיג את הביצועים הרצויים.גם בתחום ה – 3D IC יש אתגרים שמהנדסי התכנון יצטרכו להתגבר עליהם. השימוש בטכנולוגיה זו הוא מאתגר אבל היא עדיין טובה יותר מארכיטקטורות דו-ממדיות.

לכן, מותר להניח כי פוטוניקה משולבת ו-D IC 3 יהפכו לנפוצים יותר בקרב מהנדסי השבבים בעיקר בשל היכולות האטראקטיביות שלהן, ובכך יסייעו למתככני דור השבבים הבא להשיג את הביצועים הגבוהים ביותר בהספק הנמוך ביותר.

הפוסט <strong>טכנולוגיות פוטוניקה ומעגלים תלת מימדים (3D ICs) מספקות יתרונות גדולים אך טומנות בחובן גם אתגרי תכנון חדשים</strong> הופיע לראשונה ב-Chiportal.

רשות החדשנות מכריזה על מאגדים חדשים: פוטוניקה אינטגרטיבית, מטא חומרים ומשטחים.

מאגד פוטוניקה אינטגרטיבית – אור לעיבוד נתונים, לשבבים ולמערכות יירוט ותקשורת – ועדת המחקר של חטיבת תשתיות חדשנות ברשות החדשנות אישרה תקציב של כ 40 מלש"ח לשלוש שנים.         

הפיתוחים המרכזיים שיקודמו במאגד הינם: מקור אור פוטוני שזור המהווה שלב בפיתוח מחשב קוונטי אך בעל ערך כרכיב עם  פוטנציאל שוק בפני עצמו; ג'ירו בעל משקל ונפח קטן, עם רמת דיוק ביניים  Short  Navigation) ) ומחיר נמוך משמעותית מהקיים; לייזר-מסרק לתקשורת אופטית רב ערוצית; וכן פלטפורמה להקטנת נפח מהותית עבור מערכות לייזר רב עוצמה מוטסות. היתרונות של המצע שיפותח במאגד מתבטא בשקיפות גבוהה בתחומי הנראה ו Near- IR  ,כמו כן ביכולת לשלב מעגלים חשמליים על אותו שבב פוטוני, ובכך להקטין נפח ומשקל.           

במאגדמשתתפות ארבע חברות ישראליות: אלאופ , סיאלו, קואנטום סורס וניו פוטוניקס. בנוסף, המאגד נתמך באקדמיה מקצועית  על ידי שישה חוקרים בעלי ידע בתכנון וייצור מתחום הסיליקון: ניטריד, מהודים ורכיבים אקטיבים. רשימת החוקרים כוללת את: ד"ר איליה גויקמן מהטכניון,  פרופ' אבי צדוק וד"ר בוריס דסיאטוב מבר-אילן, וכן על ידי פרופ' אוריאל לוי, פרופ' דן מרום וד"ר לירון שטרן מהאוני' העברית. כמו כן פעילות הייצור של רכיבי SiN4 תתבצע בקבלנות משנה על ידי חברת Tower Semiconductor.

שוק הסיליקון פוטוניקה(Silicon Photonics) הוערך בשת 2021 ע"י MarketAndMarket  בכ-1.1B$  עם קצב גידול של26.8%  אשר נובע מביקוש רב לרכיב הסיליקון פוטוניקה, השוק צפוי להגיע לשווי של כ- 4.6B$ בשנת 2027.

• מאגד מטא חומרים – מניפולציה היא לא רק ריגשית וגלימת ההעלמות של הרי פוטר הופכת למציאות – ועדת המחקר של חטיבת תשתיות חדשנות אישרה את תוכניות העבודה והרכב השותפים של מאגד מטא חומרים ומשטחים, הצפוי לפעול במשך 3 שנים החל מחודש ינואר 2023. תקציב הפעילות לכל תקופת המאגד מוערך בכ- 55 מליוני ₪.

טכנולוגית המטא-חומרים ומשטחים מבוססת על צירוף מושכל של מבנים (ננו או מיקרו) בעלי גודל אופייני של תת אורך-גל (כמה עשיריות עד עשירית מאורך הגל) ליצירת חומר אלקטרומגנטי מלאכותי בעל תכונות מהונדסות לפי דרישה, המאפשרות מניפולציה על הגל האלקטרומגנטי העובר דרך החומר. המעבר של גל אלקטרומגנטי דרך אותו תווך, שעשוי מטכנולוגיה של מטא-חומרים, משנה את חזית הגל בהתאם לתכנון, ומאפשר עיצוב מחדש של השדות וזרימת האנרגיה ביעילות גבוהה, למימוש של מראות לא קונבנציונאליות, עדשות דקות, אנטנות מתכווננות, בולעים רחבי זווית ועוד.

על אף התפתחות דרמטית במחקר בתחום זה בשני העשורים האחרונים, ושלל הדגמות ברמת המעבדה, הטכנולוגיה טרם שולבה בהצלחה ביישומים מעשיים משמעותיים בארץ ובעולם. מאגד מטא חומרים ומשטחים עתיד לפתח את אותה יכולת טכנולוגית באקדמיה ובתעשייה הישראלית כך שאפשר יהיה לתכנן רכיבים ולממשם במערכות שונות (תקשורת ואופטיקה).

במאגד שותפות 10 חברות (אלביט, סרגון, סטיקספיי, גלאל, ספקטראליקס, SCD, PCB, אופסיס, FVMAT ו- IKOM) ו- 10 קבוצות מחקר (הטכניון, האונ' העברית, מכון ויצמן, אונ' תל אביב, אונ' אריאל, אונ' בר אילן, ואונ' בן גוריון).

הפוסט רשות החדשנות מכריזה על מאגדים חדשים: פוטוניקה אינטגרטיבית, מטא חומרים ומשטחים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

בשנים האחרונות, תהליך הדיגיטליזציה העולמית הואץ בקצב חסר תקדים. הזרמת תכני וידאו וכן וִעוּד וידאו (video conferencing) במשרדים ביתיים ובמתחמי לימוד מרוחקים הולידו שיאים בצריכת פס רחב בבתים פרטיים. יישומים חדשים כגון בינה מלאכותית ורכבים אוטונומיים יאיצו עוד יותר את נפח הדרישה של תקשורת נתונים בעתיד הקרוב. כיום, תשתית המרשתת מבוססת על תקשורת של סיבים אופטיים, והשאלה היא כיצד ניתן ליצור מערכות כאלו יעילות יותר כך שתוכלנה למלא אחר הביקוש העתידי של תקשורת דיגיטלית

על מנת להתמודד עם קצבי הנתונים ההולכים וגדלים, מערכות תקשורת של סיבים אופטיים עושות שימוש בערוצי תקשורת פרטניים רבים באורכי גל ייעודיים, שיטה המוכרת בשם "רִבּוּב בַּחֲלֻקַּת תֶּדֶר" (wavelength division multiplexing). הערוצים השונים משולבים יחדיו בעזרת רַבָּב (multiplexer) טרם הזרמתם דרך סיב אופטי. על מנת לאחזר את הנתונים, הספקטרום האופטי עובר ביטול ריבוב בצד הקולט. באופן רגיל, פעולה זו מתבצעת בעזרת 'מעגלים משולבים פוטוניים' (photonic integrated circuits, PICs). מעגלים אלו תוחמים ומכווינים אור לתוך מיקרו-רכיבים המפעילים את המידע במספר ערוצים של אורכי גל, כגון סריגים מרובדים של מובילי גל או מהודי טבעת משולבים. 

כעת, במסגרת מאמר שפורסם בכתב העת המדעי Optical Microsystems, החוקר Hamed Sattari ועמיתיו הדגימו את פעולתו של רכיב יעיל מבחינה אנרגטית עבור פעולה של ביטול ריבוב על ידי הזזה פיזית של מהוד טבעתי מצורן בתוך מעגל פוטוני משולב. ההזזה המכאנית של המהוד הטבעתי מאפשרת העברה של ערוץ אורכי גל לתוך מוליך גל, מה שפועל למעשה בתור מסנן מיקרו-מכאני מסוג 'add-drop' (Add–drop filter,  ADF). מנגנון ההפעלה האלקטרוסטטי מתבסס על מערכות מיקרואלקטרומכאניות (MEMS), טכנולוגיה המיושמת באופן נרחב במכשירי צריכה אלקטרוניים, כגון מיקרו-מראות במקרני וידאו.

בהשוואה למערכות מוכרות אלו (MEMS), המערכת הפוטונית החדשנית המבוססת על צורן והמודגמת במאמר היא זעירה יותר בשלושה סדרי גודל. חתך הרוחב של מוליך הגל במהוד הטבעתי קטן מ- 650 על 220 ננומטרים, והזזה של פחות מ-500 ננומטרים מספיקה על מנת להפעיל את המסנן. המיפתח הקומפקטי מאפשר הפעלה מהירה, זאת בהשוואה למוצרי MEMS מוכרים בשוק, ומנגנון ההפעלה האלקטרוסטטי מבטיח צריכת אנרגיה נמוכה במיוחד, מה שהופך את המסנן החדשני ליעיל מאוד מבחינה אנרגטית.

"התרומה שלנו מדגימה כי מערכות מיקרואלקטרומכאניות פוטוניות המבוססות על צורן התקדמו צעד חשוב קדימה מבחינת הבשלות הטכנולוגית", אמר החוקר הראשי. "מעגלים פוטוניים משולבים בקנה מידה גדול המורכבים מאלפי רכיבים, כגון מסנני add-drop, ניתנים כעת לבניה, תוך הספקת פלטפורמה חסרה המסוגלת להפוך יישומי תקשורת בסיבים אופטיים המתמקדים בנתונים ליעילים יותר מבחינה אופטית".      

הידיעה אודות המחקר

המאמר המלא

הפוסט צעד קדימה בפיתוח של מערכות מיקרואלקטרומכאניות פוטוניות מבוססות צורן הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חברת Sparc Foundry תקים מפעל חדש בעיר ויגו בספרד עבור פוטוניקה מבוססת III-V-Semiconductor, הנקראת Sparc (III-V – מפעל המשלב ייצור מוליכים למחצה ומרכז מחקר פוטוניקה מתקדם).

מפעל חדש זה יכלול חדר נקי בגודל 1,600 מ"ר לייצור פרוסות, ומרכז מחקר שיסייע ללקוחות להביא לשוק מוצרים פוטוניים מאושרים במלואם.

Sparc שואפת לנצל את הפוטנציאל של מוליכים למחצה III-V (GaAs, InP, GaN) כדי להתאים למספר גדל והולך של שווקים ויישומים המסתמכים במידה רבה על אור, פוטוניקה ואלקטרוניקה במהירות גבוהה.

החברה אומרת שתהיה לה היכולת לטפל בבסיס לקוחות גדול במגוון רחב של שווקים שונים, כולל תקשורת אופטית, צגים, תאורה, תעופה וחלל, רכב, ביו-רפואה, חישה וטכנולוגיות קוונטיות, כמו גם יישומים אלקטרוניים במהירות גבוהה ו/או בהספק גבוה

חוזה פוזו, מנהל טכנולוגיה ראשי ב-Optica, ארגון אופטיקה ופוטוניקה, Sparc התאגדה רשמית בשבוע שעבר, ב-26 בספטמבר. פוזו מציין עוד כי המתקנים יהיו בעלי קיבולת כוללת של 1,500 פרוסות בשנה. הייצור בו יתחיל לקראת סוף 2023.

הפוסט חברה חדשה מספרד משיקה מפעל למוליכים למחצה III-V (מבוססי פוטוניקה) הופיע לראשונה ב-Chiportal.

התחום קיבל תנופה משמעותית עם ההמצאה של הלייזר בתחילת שנות ה- 60. הלייזר מהווה מקור אור המייצר חזית גל קוהרנטית כלומר כיוונית ואחידה לאורך זמן ובצבע אור מוגדר וחד (מונוכרומטי). התנופה הגיעה בעיקבות זה שתאורת לייזר איפשרה לממש התמרת פוריה (Fourier  Transform) מרחבית תוך שימוש בעדשות ובקידום או במרחב חופשי. כוון שהתמרת פוריה מהווה פעולה מתמטית היושבת בבסיס החישוב של הרבה מאוד מערכי עיבוד אות, העתיד ניראה מאוד מבטיח. הכיוון הכי פופלרי היה המימוש של קורלטור אופטי בשם VanderLugt שהיה בנוי משתי עדשות המרוחקות זו מזו מרחק של סכום אורכי המוקד שלהן ושהוצע לראשונה ב- 1963. קורלציה הינה פעולה המשמשת בהשוואה ובזיהוי של אותות ועל כן התיקווה הייתה להשתמש בקורלטור זה לזיהוי פרצופים וצורות. בהמשך, בשנות ה-70 וה-80 הקורלטור וטרנספורמטור הפוריה האופטי השתכללו ומגוון רחב של מערכים מרחביים של עיבוד אות אופטי הוצעו כשכולם מבוססי אופטיקה לינארית של עדשות [1,2]. מערכים אלו יכלו לתת חישוביות אופטית המממשת כל טרנספורמציית תמונה לינארית (מבוססת על מכפלה של וקטורים ומטריצות). היתרון העיקרי של החישוב האופטי היה כמות החישוב הניתנת לעשיה בבת אחת. בגלל שהחישוב היה באופטיקה מרחבית, החישוב היה מקבילי ולא טורי כמו המעבדים האלקטרוניים של היום. לפיכך, חישוב הכולל ביצוע התמרת פוריה של מיליוני נקודות (פיקסלים) במקביל היה ניתן לעשות בזמן שלוקח לאור לעבור דרך מערכי העדשות של המעבד האופטי (בפחות ממיליארדית השנייה גם עבור מערכים בגודל של סנטימטרים רבים).

הבעיה המרכזית של מחשבים אופטיים אלו הייתה כפולה. ראשית, הם כאמור יכלו לממש רק פעולות חישוב המבוססות על כפל מטריצות ווקטורים ולכן לא היו מעבד גנרי (כלומר יכול לפתור כל סוג בעית חישוב שהוא) כמו שה CPU של המחשב הנייד שלנו כיום יכול להיות. ושנית, הבעיה היותר משמעותית הייתה הממשק של המעבד האופטי לעולם החיצוני והאלקטרוני. כדי להזין תמונות משתנות למעבד וכדי להחליף את המטריצה שבה תמונת הכניסה מוכפלת היה צורך במאפנני אור מרחביים. מאפננים אלו הקיימים במקרנים של היום עובדים בקצב וידאו לערך ולכן קצב הזנת המידע לתוך המעבד היה יחסית איטי אל מול קצב העיבוד של המעבדים הטוריים האלקטרוניים הקיימים כיום ואשר עובדים בקצבים של מיליארדי פעולות בשניה. כמו כן, המעבדים האופטיים המרחביים היו יחסית גדולים ומגושמים.

קפיצת מדרגה נוספת בעיבוד האופטי חלה בשנות ה-90 עם ההתפתחות של טכנולוגיות הייצור והזיווד של האופטיקה שאיפשרו לייצר את המעבד מבוסס העדשות של שבב אופטי קטן ומשולב (integrated), שהקטין משמעותית את גודלו והפך אותו דומה יותר בצורתו למעבד החשמלי. ההתפתחות של תחום ה Silicon Photonics איפשרה בשנות ה-2000 לשלב את המעבד האופטי בשבבי הסיליקון מה שפתר שתי בעיות בו זמנית. ראשית, המעבד האופטי כבר לא נידרש להיות גנרי כי הוא עבד באותו השבב בו מומש גם המעבד האלקטרוני ולכן מטרתו של המעבד האופטי היתה מעתה רק לפתור צווארי בקבוק בפעולות עיבוד מסוימות וקשות במיוחד. שנית, פיתוח המאפננים האופטיים בסיליקון איפשר הזרקת מידע מאוד מהירה ושיפור הממשק הקיים בין האופטיקה לאלקטרוניקה.

קפיצה נוספת ביכולות המעבד הפוטוני קרתה בעשור האחרון עם ההתפתחות של תחום החישוב בעזרת רשתות ניורונליות. רשתות אלו המדמות את מבנה המח האנושי מאפשרות לבנות מעבד הבנוי מסכימה בין מספר ערוצי מידע הממושקלים במשקלים הניתנים לשינוי ואז הסכום מועבר דרך פונקציית החלטה לא לינארית כדוגמת פונקציית סף. מבנה מתמטי כזה של מעבד מאפשרת גמישות חישובית רבה שכן הוא מאפשר את האימון שלו בקביעת המשקולות ולאחר האימון המעבד יכול להיות מופעל לפתרון בעיות שעל בסיסן הוא אומן. היתרון הוא שמבנה כזה של מעבד הוא מצד אחד גנרי מספיק ומצד שני יכול להיות ממומש בארכיטקטורה מזוודת וקומפקטית. לדוגמא תוך שימוש בסיבים מרובי ליבות שיאפשרו את אותה סכימה ממושקלת של ערוצי מידע [3].

דחף משמעותי של הבשלה הנדסית הגיע מתחום התקשורת האופטית שכבר כיום כוללת מאפנני אור מהירים מאוד העובדים בקצבים של עשרות מיליארדי ביטים בשניה והיכולים להתחבר לסיבים אופטיים (כמו בתקשרות אופטית). כלומר ממשק בין מאפנני אור מבוססי סיבים הבאים מתחום התקשורת אופטית לבין סיבים מרובי ליבות יכול לממש רשת חישוב ניורונלית מהירה מאוד. כמובן שהבשלת תחום הייצור של הסיבים האופטיים בשנים האחרונות הכוללת יכולת ייצור של סיבים מרובי ליבות סיב המכונים סיבי גבישים פוטוניים Photonic Crystal Fibers (PCF) , עזרה מאוד לבניית קונפיגורציות עיבוד מסוג זה.

בקונפיגורציה שכזו פונקציות המשקול המשתנות בתהליך הלימוד והאימון של הרשת יכולות להיות ממומשות ע"י ליבות סיב שעברו סימון בחומר כמו ארביום  (Erbium) המאפשר לשלוט בקבוע ההגבר של האור שנושא את המידע ואשר עובר דרך הליבה הנתונה, בעזרת פקודת אור אחרת  הניתנת באורך גל אחר. מימושים מסוג כזה בהם נוצר חישוב אופטי גנרי ומתכוונן בקצבים גבוהים מאוד עם יכולת מימשוק מצוינת לעולם החיצוני והאלקטרוני, תוך שימוש בהבשלה הטכנולוגית שקרתה בתחום התקשורת האופטית, הוא מבטיח מאוד ומצייר עתיד וורוד לדיסיפלינה של עיבוד מידע אופטי.

השימוש באור מאפשר גם הכנסת בטיחות מידע ברמה של הפוטון מה שניקרא Physical Layer Encryption במודל רשת התקשורת [4], מה שמגדיל את האטרקטיביות של כוון זה אף יותר לאור החשיבות הגבוהה לבטיחות מידע בחומרה ובתוכנה. השיפורים העתידיים בתחום זה ימשיכו לקרות תוך פיתוח רכיבי עיבוד היברידיים המשלבים פעולות עיבוד אופטיות יחד עם אלקטרוניות תוך שימוש בפוטוניקת סיליקון יחד עם סיבים אופטיים מיוחדים ותוך מתן מענה לא רק לקצבי עבודה גבוהים אלא להורדה משמעותית של צריכת הספק, מרכיב שהופך מרכזי יותר ויותר בהקשרים של נושא הקיימות וההתחממות הגלובלית. שילוב עתידי של צורות עיבוד המבוססות של חישוב קוונטי אופטי ניבדקות כבר היום באקדמיות השונות בעולם ויכולות להוות קפיצת מדרגה נוספת ביכולות החישוביות שייושם לפחות לסוג בעיות חישוב הדורשות קישוריות גבוהה בין מרכיבי הרשת החישובית.

המאמר נכתב ע"י פרופ' זאב זלבסקי, הפקולטה להנדסה, אוניברסיטת בר-אילן

מקורות:

1. D. Mendlovic, Z. Zalevsky, G. Shabtay and U. Levy, “Fourier Data Processing in Optics,” Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, Ed. J. G. Webster, John Wiley and Sons (Sep. 2003).
2. Z. Zalevsky, D. Mendlovic and G. Shabtay, “Transformations in optics: Novel perspectives, approaches, applications and implementations,” J. of Opt. & Quant. Elect. 34, 1175-1181 (2002).
3. E. Cohen, D. Malka, A. Shemer, A. Shahmoon, Z. Zalevsky and M. London, “Neural networks within multi-core optic fibers,” Sci. Rep. 6, 29080, Nature Publishing Group (2016).
4. E. Wohlgemuth, Y. Yoffe, T. Yeminy, Z. Zalevsky and D. Sadot, “Demonstration of Coherent Stealthy and Encrypted Transmission for Data Center Interconnection,” Opt. Exp. 26, 7638-7645 (2018).

הפוסט עיבוד מידע אופטי: עבר הווה ועתיד הופיע לראשונה ב-Chiportal.

יבמ חשפה טכנולוגיה חדשה של מיקרו-מעבדים שמשלבים בין רכיבים אופטיים לרכיבים חשמליים ביחידת סיליקון אחת. אלה עשויים לסלול את הדרך לפיתוח של מחשבים שיפעלו בקצב של אקס-פלופ, כלומר – יבצעו מיליון טריליון חישובים בשנייה, פי אלף ממחשבי העל המהירים ביותר כיום.

הטכנולוגיה החדשה, שמכונה CMOS Integrated Silicon Nanophotonics, מאפשרת לשבבים במערכת ליצור תקשורת בפעימות של קרני אור. היא תוכל לשמש בסיס למחשבים מהירים, קטנים וחסכוניים יותר בצריכת האנרגיה בהשוואה למקובל כיום.

"טכנולוגיית CMOS Integrated Silicon Nanophotonics מבטיחה שיפור חסר תקדים בפעולה ובביצועים של שבבי הסיליקון, באמצעות תקשורת אופטית בעלת צריכת אנרגיה נמוכה בין מסדים, מודולים ושבבים, ואף בתוך השבב עצמו", אמר יורי וולסוב, מנהל המחלקה של יבמ לטכנולוגיית Silicon Nanophotonics. לדבריו, "הצעד הבא יהיה לייצר שבבים שיכללו את הטכנולוגיה החדשה במפעל, במתכונת מסחרית, תוך שימוש בתהליכים שפיתחנו".

על פי יבמ, הטכנולוגיה החדשה מעניקה רמות חסרות תקדים של צפיפות, והשבבים קטנים פי עשרה מהשבבים המתקדמים ביותר כיום. היעד בסופו של דבר הוא לייצר מערכות מסחריות שיעניקו ביצועים ברמה של אקס-פלופ. "התקשורת האופטית ברמת השבב מקדמת אותנו צעד נוסף לקראת מחשבים שיפעלו בקצב של אקס-פלופ", אמר טי. סי. צ'ן, סגן נשיא למדע וטכנולוגיה בחטיבת המחקר של יבמ.

הפוסט יבמ פיתחה טכנולוגיית שבבים שעשויה להוביל למחשבים מהירים פי אלף הופיע לראשונה ב-Chiportal.