Современная микроэлектроника сталкивается с фундаментальными ограничениями в передаче данных внутри чипов и между ними. По мере того как транзисторы становятся меньше, а плотность их размещения увеличивается, электрические соединения достигают своих физических пределов по скорости, энергопотреблению и тепловыделению.

В этом контексте кремниевая фотоника — технология, использующая свет вместо электронов для передачи информации по кремниевым волноводам — обещает стать революционным решением, способным преодолеть эти барьеры и открыть новую эру высокопроизводительных вычислений и передачи данных.

Этот обзор посвящен анализу мировых достижений в области кремниевой фотоники и оценке ее перспектив для развития российских центров обработки данных (ЦОД) и процессоров.

Мировые разработки и лидеры кремний-фотоники

Мировой рынок кремниевой фотоники по прогнозам бизнес-аналитиков демонстрирует устойчивый рост, с прогнозируемым объемом в 2.3 миллиарда долларов США в 2024 году и ожидаемым увеличением до 7.8 миллиарда долларов к 2033 году. Ключевыми игроками на этом рынке являются такие гиганты, как Intel, Cisco, Broadcom, NVIDIA, GlobalFoundries и TSMC. Эти компании активно инвестируют в исследования и разработки, формируя основные технологические тренды.

Одним из наиболее значимых направлений является применение кремниевой фотоники для внутричиповых интерконнектов (on-chip interconnects) и оптического ввода/вывода (optical I/O). Это позволяет значительно увеличить пропускную способность электронных компонентов и снизить задержки по сравнению с традиционными электрическими соединениями.

Например, компания Ayar Labs разработала оптический чиплет TeraPHY, который обеспечивает пропускную способность до 8 Тбит/с и имеет задержку всего 5 наносекунд, что сопоставимо с внутрипакетными электрическими интерфейсами. Этот чиплет использует 16-волновой источник света SuperNova™ и предназначен для масштабирования инфраструктуры ИИ.

Intel также активно развивает оптические интерконнекты, представив свой оптический вычислительный интерконнект (OCI) чиплет. Этот чиплет, интегрированный с процессором, способен обеспечить пропускную способность до 4 Тбит/с на расстояние до 100 метров, что критически важно для высокопроизводительных вычислений и систем искусственного интеллекта. OCI чиплет включает в себя кремниевый фотонный интегральный контур (PIC) с интегрированными лазерами и электрический ИС.

Преимущества оптических интерконнектов перед электрическими очевидны:

• Высокая пропускная способность: Свет может передавать данные на значительно более высоких частотах, чем электрические сигналы, что позволяет достигать терабитных скоростей.
• Низкое энергопотребление: Оптическая передача данных потребляет меньше энергии на бит, что снижает общее энергопотребление ЦОД и процессоров, особенно при больших объемах данных.
• Низкая задержка: Скорость света обеспечивает минимальные задержки при передаче данных на большие расстояния.
• Устойчивость к электромагнитным помехам: Оптические сигналы не подвержены электромагнитным помехам, что повышает надежность системы.
• Малый форм-фактор: Фотонные компоненты могут быть интегрированы непосредственно на кремниевые чипы, что позволяет создавать компактные и высокоинтегрированные решения.

Технология Co-Packaged Optics (CPO), при которой оптические компоненты размещаются в одном корпусе с электронными чипами, является еще одним важным направлением. Это позволяет сократить расстояние между электрическими и оптическими компонентами, минимизируя потери и увеличивая эффективность.

Перспективы для российских ЦОД и процессоров

В России также активно развиваются направления, связанные с кремниевой фотоникой, хотя и с определенной спецификой. ГК «Элемент» объявила о планах по созданию первого в России фаундри-центра кремниевой фотоники, который будет заниматься разработкой и производством ключевых фотонных компонентов.

Проект рассчитан на период с 2026 по 2027 год с бюджетом в 560 млн рублей, и к 2030 году планируется вывести на рынок не менее 17 различных типов оптоэлектронных и интегральных фотонных изделий. Исполнителем проекта назначен «Микрон», который является единственной российской площадкой, способной выпускать чипы по техпроцессу 90–180 нм.

Российские научные центры, такие как МФТИ, Сколтех и НИИМЭ, также активно участвуют в исследованиях и разработках в этой области. Например, стартап «Фистех» на базе Сколтеха уже успешно протестировал фотонные интегральные микросхемы. Ученые из МИЭТ разработали базовый элемент интегральной фотонной схемы субтерагерцового диапазона для будущих устройств связи 6G и нейросетей.

Применение кремниевой фотоники в российских ЦОД и процессорах имеет огромный потенциал. Это позволит:

• Повысить производительность: Оптические интерконнекты обеспечат значительно более высокую скорость передачи данных внутри ЦОД и между процессорными ядрами, что критически важно для высокопроизводительных вычислений, искусственного интеллекта и машинного обучения.
• Снизить энергопотребление: Переход на оптическую передачу данных позволит сократить энергетические затраты, что является одним из ключевых вызовов для современных ЦОД.
• Укрепить технологический суверенитет: Развитие собственного производства фотонных компонентов и фаундри-центров снизит зависимость от импортных технологий и обеспечит России доступ к передовым решениям в микроэлектронике.
• Развитие суперкомпьютерных технологий: Кремниевая фотоника может стать основой для создания нового поколения российских суперкомпьютеров с беспрецедентной производительностью.

Однако существуют и вызовы. Ограниченные сроки и бюджет для создания фаундри-центра, а также необходимость наращивания компетенций и производственных мощностей требуют значительных усилий и инвестиций. Тем не менее, наличие накопленных разработок и активное участие научных центров увеличивают шансы на успешную реализацию этих проектов.

Итог

Кремниевая фотоника находится на пороге революции в шинах передачи данных внутри чипов, обещая радикально изменить архитектуру вычислительных систем и центров обработки данных. Мировые лидеры активно внедряют эту технологию, предлагая решения с высокой пропускной способностью и энергоэффективностью.

Для России развитие кремниевой фотоники является стратегически важным направлением, способным обеспечить технологический суверенитет и конкурентоспособность в области высокопроизводительных вычислений и искусственного интеллекта. Успешная реализация проектов по созданию фаундри-центров и разработке собственных фотонных компонентов откроет новые горизонты для российских ЦОД и процессоров, делая их более мощными, эффективными и независимыми.