Wyścig w Erze Fotoniki Krzemowej

Świt Nowej Granicy Technologicznej

#

W świecie technologii półprzewodnikowych, gdzie stawki są wysokie, toczy się cicha rewolucja. Podczas gdy świat koncentruje się na tradycyjnej produkcji mikroczipów, Chiny stale rozwijają się w innym kierunku – w dziedzinie chipów optycznych. Ta rozwijająca się technologia, wykorzystująca światło zamiast elektronów do przesyłania danych, może potencjalnie zmienić zasady globalnej konkurencji technologicznej.

“Kiedy nie możesz przejść przez przeszkodę, obejdź ją” – takie podejście do rozwoju półprzewodników przyjęły Chiny. W obliczu narastających ograniczeń dostępu do zaawansowanego sprzętu do produkcji chipów ze strony krajów zachodnich, chińscy naukowcy przyspieszyli prace nad fotoniką krzemową – technologią, która może pozwolić im na przeskoczenie istniejących barier i zmianę krajobrazu konkurencyjnego.

Dlaczego Chipy Optyczne Mają Znaczenie

#

Chip optyczny, wykorzystujący światło zamiast elektronów do przesyłania danych, oferuje liczne zalety, takie jak zwiększona prędkość, przepustowość i efektywność energetyczna. Fotonika krzemowa, integrująca komponenty fotoniczne na bazie krzemu, wykorzystuje istniejące procesy produkcji półprzewodników.

Wyobraź sobie ściągnięcie całego filmu 4K w mniej niż sekundę lub trenowanie modelu AI, które normalnie zajęłoby tygodnie, w zaledwie kilka godzin. Chipy optyczne umożliwiają takie scenariusze, oferując trzy kluczowe przewagi nad ich elektronicznymi odpowiednikami:

• Zawrotna szybkość: Dane przemieszczają się z prędkością światła, nie elektronów
• Niezwykła efektywność energetyczna: Dramatycznie niższe zużycie energii i generowanie ciepła
• Wyjątkowa przepustowość: Zdolność do jednoczesnego przetwarzania znacznie większej ilości danych

Wraz z tym, jak tradycyjne chipy elektroniczne zbliżają się do fizycznych limitów wydajności i efektywności energetycznej, technologia optyczna wyłania się jako najbardziej obiecujące rozwiązanie dla potrzeb obliczeniowych nowej generacji. Dla Chin opanowanie tej technologii to nie tylko kwestia osiągnięcia naukowego – to droga do technologicznej samowystarczalności w krytycznym sektorze.

Technologia ta ma potencjał do przezwyciężenia ograniczeń tradycyjnych chipów elektronicznych, zwłaszcza w aplikacjach intensywnie przetwarzających dane, takich jak AI i wysokowydajne obliczenia (HPC). Możliwość, że chipy optyczne przewyższą ograniczenia konwencjonalnych układów elektronicznych, jest główną siłą napędową globalnego zainteresowania tą technologią.

Przełomowe Osiągnięcia w Chińskich Laboratoriach

#

Integracja Światła z Krzemem

#

W mieście Wuhan naukowcy z JFS Laboratory dokonali tego, co wielu uważało za fundamentalne wyzwanie: pomyślnie zintegrowali źródło światła laserowego bezpośrednio z chipem krzemowym. To osiągnięcie – pierwsze tego rodzaju w Chinach – stanowi kluczowy kamień milowy w rozwoju fotoniki krzemowej.

Zespół JFS, wspierany 1,2 miliarda dolarów rządowego finansowania, wykorzystał technologię integracji heterogenicznej do połączenia lasera z fosforku indu z ośmiocalowym waflem SOI. To techniczny wyczyn, który bezpośrednio adresuje jedno z najważniejszych ograniczeń w transmisji danych między chipami.

Bicie Rekordów Prędkości za pomocą Światła

#

Tymczasem naukowcy z Fudan University stworzyli coś niezwykłego: zintegrowany fotoniczny chip multipleksera wysokiego rzędu zdolny do przesyłania danych z oszałamiającą prędkością 38 terabitów na sekundę. Dla porównania, ten pojedynczy chip mógłby przesyłać 4,75 biliona parametrów modelu AI każdej sekundy – zasadniczo umożliwiając systemom sztucznej inteligencji przetwarzanie informacji z bezprecedensową szybkością.

Ten przełom bezpośrednio rozwiązuje krytyczne wyzwania w szkoleniu modeli AI na dużą skalę, łączności centrów danych i wysokowydajnych obliczeniach, wszystko przy wyjątkowej wydajności energetycznej i minimalnym opóźnieniu.

Optyczne Akceleratory AI: Tysiące Razy Bardziej Wydajne

#

Nie pozostając w tyle, badacze z Tsinghua University opracowali układy optyczne specjalnie zaprojektowane dla zastosowań AI. Ich układ optyczny “Taichi-II” umożliwia wydajne i precyzyjne trenowanie rozległych sieci neuronowych w systemach obliczeń optycznych.

Poprzednia generacja chipu “Taichi-I” już wykazała imponującą efektywność obszarową i energetyczną w zadaniach AI. Jednak może najbardziej godnym uwagi jest ich chip ACCEL, który podobno przetwarza zadania związane z widzeniem komputerowym 3000 razy szybciej, wykorzystując cztery miliony razy mniej energii niż najnowocześniejsze GPU.

Od Laboratorium do Fabryki: Budowanie Zdolności Produkcyjnych

#

Przełomy naukowe są bezużyteczne bez możliwości produkcji na skalę. Chiny podchodzą do tej rzeczywistości bezpośrednio, uruchamiając pierwszą krajową linię pilotażową do produkcji chipów fotonicznych w Wuxi Photonic Chip Research Institute, należącym do Shanghai Jiao Tong University.

Ta linia pilotażowa ma osiągnąć roczną zdolność produkcyjną wynoszącą 10 000 wafli i obsługuje pełny, zamknięty cykl produkcyjny dla fotonicznych chipów z niobianu litu, a także przetwarza krzem i azotek krzemu. Pierwszy zestaw PDK (Process Design Kit) ma zostać udostępniony w pierwszym kwartale 2025 roku, co umożliwi świadczenie zewnętrznych usług wytwarzania chipów.

Równolegle przełomy w dziedzinie materiałów torują drogę do masowej produkcji. Shandong Hengyuan Semiconductor Technology z powodzeniem opracowało 12-calowy kryształ niobianu litu o jakości optycznej – kluczowy materiał dla chipów fotonicznych. Naukowcy z Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology stworzyli nowy typ “optycznego krzemu”, który może być produkowany masowo.

Rosnący Ekosystem: Firmy i Instytucje Napędzające Innowacje

#

Chiński krajobraz technologii optycznej charakteryzuje się szybko rozwijającym się ekosystemem firm i instytucji badawczych:

Wiodące Firmy

#

Od uznanych gigantów technologicznych jak Huawei po wyspecjalizowane firmy takie jak Centera Photonics i Sourcelight Technology, dziesiątki chińskich firm inwestują intensywnie w różne aspekty technologii optycznej – od komponentów i transceiverów po specjalistyczny rozwój i produkcję chipów.

Potęgi Badawcze

#

Chińskie uniwersytety i instytuty badawcze są na czele, z Tsinghua University wiodącym w badaniach nad optycznymi chipami AI, Fudan University rozwijającym chipy multiplekserów wysokiego rzędu, a Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology dokonującym przełomów w chipach z “optycznego krzemu”.

Tabela 1: Wiodące Chińskie Firmy w Technologii Chipów Optycznych

#

Zastosowania Transformujące Branże

#

JFS Laboratory opracowało chip fotoniki krzemowej zintegrowany z laserem, co umożliwia szybkie i niskooporowe połączenia optyczne do transmisji danych, potencjalnie przekraczając ograniczenia prawa Moore’a. Chip multipleksera wysokiego rzędu opracowany przez Fudan University osiąga ultraszeroką przepustowość (38 Tbps) dla komunikacji na chipie, co jest kluczowe dla dużych modeli AI i centrów danych. Układy “Taichi” i ACCEL z Tsinghua University demonstrują znaczną poprawę efektywności energetycznej (do 1000 razy lepszą niż Nvidia H100 dla Taichi-II, 4 000 000 razy mniejsze zużycie energii dla ACCEL w zadaniach wizyjnych) i prędkości przetwarzania dla aplikacji AI.

Potencjalne zastosowania chińskich chipów optycznych obejmują wiele kluczowych sektorów:

• Telekomunikacja i Sieci 5G: Zwiększenie prędkości i wydajności transmisji danych w infrastrukturze 5G. Fotonika mikrofalowa, również rozwijana w Chinach, może znacząco poprawić systemy telekomunikacyjne.
• Centra Danych i Chmura Obliczeniowa: Poprawa wydajności i efektywności energetycznej w możliwościach przetwarzania danych. Połączenia optyczne mogą złagodzić wąskie gardła wejścia/wyjścia w obliczeniach AI.
• Sztuczna Inteligencja i Uczenie Maszynowe: Przyspieszenie obliczeń AI i trenowania modeli. Obejmuje to zastosowania w dużych modelach językowych (LLM) i treściach generowanych przez AI (AIGC).
• Komunikacja Kwantowa: Wspieranie postępów w technologii kwantowej.
• Zaawansowane Czujniki: Umożliwienie LiDAR w pojazdach autonomicznych i automatyce przemysłowej.
• Lotnictwo i Przestrzeń Kosmiczna: Zwiększenie możliwości teledetekcji laserowej i komunikacji laserowej.
• Wysokowydajne Obliczenia Naukowe: Przyspieszenie złożonych obliczeń naukowych.

Tabela 2: Porównanie Kluczowych Postępów w Chińskiej Technologii Chipów Optycznych

#

Jak Chiny Wypadają na Tle Globalnej Konkurencji?

#

Badania Chin w dziedzinie technologii produkcji chipów nowej generacji, w tym obliczeń optycznych, są podobno ponad dwukrotnie większe niż Stanów Zjednoczonych. Chiny przodują również w liczbie wysoko cytowanych publikacji w tej dziedzinie. Niektórzy uważają, że postępy Chin w fotonice krzemowej mogą pozwolić im “zmienić pas” i wyprzedzić USA w dziedzinie półprzewodników.

Jednak Stany Zjednoczone aktywnie starają się ograniczyć Chinom dostęp do zaawansowanych technologii i sprzętu półprzewodnikowego. Niektórzy analitycy sugerują, że Chiny nadal pozostają w tyle za USA i Tajwanem pod względem ogólnej produkcji półprzewodników. Wiceprezes TSMC zauważa, że fotonika krzemowa może rozwiązać problemy efektywności energetycznej i mocy obliczeniowej w AI.

Co jest jasne, to fakt, że chociaż USA i ich sojusznicy utrzymują dominację w tradycyjnej produkcji półprzewodników, również aktywnie inwestują w fotonikę krzemową, uznając jej strategiczne znaczenie.

Droga Naprzód: Wyzwania i Możliwości

#

Mimo znaczących postępów, Chiny nadal stoją przed poważnymi wyzwaniami:

Wyzwania Techniczne i Produkcyjne

#

• Wciąż istnieją bariery techniczne dla powszechnego przyjęcia fotoniki krzemowej
• Komercjalizacja przełomowych odkryć naukowych w masowo produkowane produkty może być trudna
• Konieczne jest również opracowanie oprogramowania i systemów operacyjnych zoptymalizowanych pod kątem obliczeń optycznych
• Chiny nadal napotykają ograniczenia w dostępie do zaawansowanego sprzętu do produkcji półprzewodników, takiego jak litografia EUV
• Koszt produkcji zaawansowanych chipów przy użyciu starszego sprzętu jest wyższy

Strategiczne Możliwości

#

• Fotonika oferuje doskonałą prędkość, efektywność energetyczną, skalowalność i przepustowość
• Może stanowić podstawę wielu przyszłych postępów technologicznych
• Chiny mają potencjał, aby objąć prowadzenie w tej rozwijającej się technologii
• Fotonika krzemowa może być kluczową technologią w rozwoju AI i HPC
• Może pomóc Chinom zmniejszyć zależność od zagranicznej technologii półprzewodników

Chiński Rynek Chipów Optycznych: Inwestycje, Produkcja i Prognozy Rozwoju

#

W Chinach uruchomiono państwowy fundusz inwestycyjny w branży chipów o wartości 47,5 miliarda dolarów. Optics Valley of China (OVC) odnotowało znaczące inwestycje w fotonikę. JFS Laboratory zostało założone z rządowym finansowaniem w wysokości 1,2 miliarda dolarów. Huawei planuje znaczne inwestycje w sprzęt do produkcji chipów.

Linia pilotażowa w Wuxi ma na celu osiągnięcie rocznej zdolności produkcyjnej wynoszącej 10 000 wafli. Shandong Hengyuan planuje znacząco zwiększyć roczną produkcję wafli kryształów niobianu litu. Oczekuje się wzrostu ogólnej zdolności produkcyjnej chipów w Chinach.

Tabela 3: Prognozowany Wzrost Chińskiego Rynku Chipów Optycznych

#

Uwaga: W przypadku raportu dotyczącego globalnego rynku chipów optycznych 25G, w dostępnych materiałach brakowało konkretnej wartości prognozowanej wielkości rynku i CAGR.

Przyszłość Obliczeń Opartych na Świetle

#

Globalny rynek chipów fotonicznych jest gotowy na znaczący wzrost, z prognozami osiągnięcia 10,41 miliarda dolarów do 2031 roku, przy złożonej rocznej stopie wzrostu (CAGR) wynoszącej 15,4%. Rynek chipów do komunikacji optycznej ma osiągnąć podobne wartości, z CAGR na poziomie 12,9% do 2032 roku.

Podczas gdy Chiny kontynuują intensywne inwestycje w technologię chipów optycznych, globalny krajobraz półprzewodników może doświadczyć znaczących zmian. Strategiczne skupienie się Chin na chipach optycznych stanowi zarówno technologiczne zabezpieczenie przed obecnymi ograniczeniami, jak i odważny zakład na przyszłość obliczeń.

W wyścigu o technologiczną supremację postępy Chin w dziedzinie chipów optycznych mogą okazać się decydującym ruchem – pozwalającym potencjalnie na wyprzedzenie konkurentów poprzez opanowanie nauki o obliczeniach opartych na świetle, zanim zrobią to inni. Gdy tradycyjne chipy elektroniczne zbliżają się do swoich fizycznych ograniczeń, zdolność do wykorzystania światła do obliczeń może określić, który naród będzie przewodził w następnej erze rozwoju technologicznego.

Rewolucja w fotonice krzemowej jest w pełnym rozkwicie, a Chiny są zdeterminowane, by znaleźć się na jej czele.