כיצד טכנולוגיה של Silicon Photonics יכולה להפוך את האינטרנט למהיר הרבה יותר

טכנולוגיית Silicon Photonics עונה על הצורך ההולך וגובר של העברת נתונים בכמויות גדולות ובקצב מהיר. כיצד אור יכול לשאת מידע ואיך?

מאת רז ויגדורוביץ’, מהנדס תהליך במפעל ליצור שבבים, אינטל

ככל שחולפות השנים, הצורך בהעברת כמויות גדולות של מידע הולכת וגוברת והעולם נהיה יותר ויותר רעב להעברת נתונים בקצב גבוה. כיום ניתן עדיין למצוא תשתיות תקשורת שמבוססות על חוטי נחושת. מבחינה פיזיקלית, להעברת נתונים על גבי חוטי נחושת יש לא מעט מגבלות. כל עוד המרחקים קטנים, לדוגמה בתוך רכיב ובין רכיב אחד למשנהו, חוטי הנחושת עדיין מספיקים, אבל במעבר לתקשורת בין שרתים, שם כמויות המידע גדולות מאוד ואנחנו נדרשים לקצב מהיר, חוטי הנחושת כבר אינם מספיקים.

כאן נכנסת לתמונה התקשורת האופטית – פתרון חלופי מצוין, מאחר שהמהירות בה עוברים הנתונים היא במהירות האור, והאמצעי שבו מועבר המידע הוא על גבי סיבים אופטיים הבנויים בעיקר מזכוכית בהרכבים שונים ובמבנה המאפשר את העברת האור בתוך הסיב, עם מעט מאוד איבודי מידע. יתרון נוסף במעבר מתקשורת חשמלית לתקשורת אופטית הוא הפחתת הספקים. ההספק החשמלי הנדרש רק באפנון האות האופטי הוא קטן באופן משמעותי לעומת העברת הנתונים כאות חשמלי מקצה לקצה.

התקשורת האופטית הכפילה את כמות האינפורמציה שיכולה לעבור פי 10,000 ב-20 השנים האחרונות, והמספר הזה צפוי לגדול פי 100 בעשור הקרוב. ללא התקשורת האופטית, האינטרנט כפי שאנחנו מכירים אותו היום לא היה יכול להתקיים.

מאחר שהתקשורת בעולמנו מעורבת, בחלקה חשמלית ובחלקה אופטית, דרושים לנו “מתורגמנים”. אלו רכיבים היודעים לתרגם את האות החשמלי לאות אופטי באמצעות רכיב הנקרא Transmitter – Tx – משדר, וכמו כן הרכיב המבצע את התרגום ההפוך, מאות אופטי לאות חשמלי, ושמו Receiver – Rx – מקלט.

 

החומרים מהם יוצרו רכיבי המשדר והמקלט בתחילת דרכה של הטכנולוגיה היו חומרים איזוטריים יקרים. לדוגמה, ליצור המשדר החומר שהכי מצוי בשימוש הוא LiNbO3 או GaAs, רכיבים מצוינים ובעלי אמינות גבוהה אך בדרך כלל יקרים מאוד. כתלות באורכי הגל המשמשים במשדרים אלו, ישנם חומרים אשר מהם מיצרים את המקלטים/גלאים שהם הפוטודטקטורים. חיסרון משמעותי הוא שמקור האור, הלייזר, מגיע כרכיב חיצוני.

ככל שהצורך ברכיבים אלה עולה עם הצרכים ההולכים וגדלים של השוק, הרכישה שלהם במאות דולרים לכל רכיב הופכת את השירותים ליקרים ולא כדאיים. פריצת הדרך המשמעותית מגיעה מחקר של טכנולוגיה חדשה יחסית מהעשור האחרון, אשר בשנים האחרונות עברה כבר ליצור מלא, והיא ה-Silicon Photonics. בטכנולוגיה זו מיוצרים הרכיבים על גבי פרוסות סיליקון, בדומה לייצור השבבים המוכר, תוך שימוש בתהליכים מוכרים במפעלים הרגילים לייצור שבבים, עם חומרים וטכניקות ייצור ידועות. עובדה זו מאפשרת להוזיל בצורה מהפכנית את העלויות ובכך להוזיל את המוצר לשוק.

איך זה עובד?

משדר Transmitter – מקור האור. דיודת הלייזר פולטת אור בצורה רציפה בתחום האינפרא אדום שזהו אורך הגל אותו מסוגל להוליך הסיליקון. אם במחשב אנחנו משתמשים באות חשמלי של יש זרם/אין זרם, שהוא מסמל 1 או 0 לוגי, בפוטוניקה המקביל יהיה יש אור או אין אור. את אות האור הרציף היוצא מדיודת הלייזר יש לאפנן כך שייווצרו אותות של אור וחושך. זאת עושים בצורה חשמלית תוך יצירה של התאבכות בונה והורסת של הגל של האור באמצעות MZI – Mach Zehnder Interferometer.

בהתקני משדר של Silicon Photonics ניתן לאחד חומר היוצר את הלזירה, בדרך כלל שילוב חומרים III-V על ידי הדבקה או גידול אפיטקסיאלי ישירות על גבי מוליך הגל, הסיליקון.

מקלט – בדרך כלל עשוי מגרמניום בעוד האור הנכנס לגלאי, שהינו חבילת אנרגיה, יפגע באלקטרון בגרמניום ויעביר אליו האנרגיה המספיקה כדי להקפיץ אותו לרמת אנרגיה גבוהה יותר, היוצרת אלקטרון וחור הנאספים באנודה ובקטודה שמביאים להולכה חשמלית. בכך האות של האור מתורגם חזרה לאות חשמלי.

להגיע לקצבים של 100Gbps

יתרון משמעותי נוסף שיש לרכיבי ה-Silicon Photonics הוא שבתחום האור אינפרא אדום, בו מצע הסיליקון שקוף, ישנו טווח של אורכי גל וניתן באותו רכיב להפריד את האינפורמציה למספר אורכי גל של אור. הדבר שקול להפרדה למספר צבעים, כאשר כל צבע נושא אינפורמציה שונה אך הם אינם מפריעים האחד לשני. כך מתאפשרת העברה של המון אינפורמציה במקביל על אותו קו תקשורת אופטית.

התקני Silicon Photonics מאפשרים תקשורת נתונים בנפחים גדולים מאוד ובקצבים גבוהים מאוד. בתחום המחשוב והתקשורת, הם משמשים בתקשורת בין כרטיס לכרטיס; בחוות שרתים, התקשורת היא בין שרת לשרת; ואפילו בין חוות השרתים עד אלינו הביתה.

הייצור של טכנולוגיית Silicon Photonics החל בישראל עוד בתקופה בה הנושא היה בחיתוליו, במסגרת מחקר בשיתוף עם האקדמיה ועם המעבדות של החברה. בהיותי מהנדס תהליך מנוסה בתהליך ייצור השבבים ומניסיוני בפיתוח טכנולוגיות יצור בסיליקון, עברתי למחלקת ה-Silicon Photonics כדי לקחת חלק בפיתוח הטכנולוגיה פורצת הדרך. כאשר העברנו את הטכנולוגיה לשלב הייצור באחד ממפעלינו הגדולים בארה”ב, ביליתי שם שישה שבועות מאומצים מאוד בתקופה הכי קפואה בשנה סביב חג המולד. זו הייתה הזדמנות מרגשת לדעת שמכאן, העמל של מחקר ופיתוח של שנים רבות מגיע לישורת האחרונה של ייצור מוצר אמין ואיכותי.

הכתבה בחסות אינטל

ארונות שרתים עם כבלי נחושת – out, ארונות שרתים עם סיבים אופטיים – IN.
אינטל, כפי שהצגנו ביום המעבדות שלנו, השיגה התקדמות מרכזית באבני בניין טכנולוגיות קריטיות המהוות בסיס למחקר הפוטוניקה המשולב של החברה והן: ייצור אור, הגברה, זיהוי, מודולציה. בנוסף, הראתה אינטל יכולות אינטגרציה בין ה- silicon Photonics וסיליקון CMOS באמצעות טכניקות אריזה מתקדמות בצורה שמאפשרת הספק נמוך יותר, רוחב פס גבוה יותר וספירת פינים מופחתת.
התקדמות זו היא צעד לקראת מימוש החזון של אינטל להקלת עומסים בתעבורת רשת במרכזי הנתונים ודחיקת המגבלות הקיימות של ביצועי קלט/פלט חשמליים בשל הביקוש הגדל לרוחב פס.
כך, הכנסת קלט / פלט אופטי ישירות לשרתים ולחבילות המעבדים שלנו תאפשר לנתונים לנוע בצורה יעילה יותר.
בנוסף, חברת מובילאיי (Mobileye) הציגה בתערוכת CES 2021 אבטיפוס ראשון של חיישן LiDAR אשר מיוצר בטכנולוגיית סיליקון פוטוניקס של חברת אינטל, ומיועד להיכנס לכלי רכב אוטונומיים.
רוצה ללמוד עוד על סיליקון פוטוניקס והחדשנות נוספת שצומחת אצלנו באינטל, עקבו אחרינו כאן.

כתב אורח

אנחנו מארחים מפעם לפעם כותבים טכנולוגים אורחים, המפרסמים כתבות בתחומי התמחות שלהם. במידה ואתם מעוניינים לפרסם פוסט בשמכם, פנו אלינו באמצעות טופס יצירת קשר באתר.

הגב

4 תגובות על "כיצד טכנולוגיה של Silicon Photonics יכולה להפוך את האינטרנט למהיר הרבה יותר"

avatar
Photo and Image Files
 
 
 

* היי, אנחנו אוהבים תגובות!
תיקונים, תגובות קוטלות וכמובן תגובות מפרגנות - בכיף.
חופש הביטוי הוא ערך עליון, אבל לא נוכל להשלים עם תגובות שכוללות הסתה, הוצאת דיבה, תגובות שכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של Geektime, תגובות שחורגות מהטעם הטוב ותגובות שהן בניגוד לדין. תגובות כאלו יימחקו מייד.

סידור לפי:   חדש | ישן | הכי מדורגים
ארז
Guest

היי, שלחתי לכם לפני מספר שבועות מייל עם באג שלא תוקן עד היום.

קשה לי מאוד לקרוא כתבות בגלל הבאג שתוקע את כל האפליקציה.

אשמח שתתייחסו!

No name
Guest

סובל מאותה הבעיה, כבר שנה משתמש רק באתר

אמיתי
Guest

כל מידע שעובר על גבי שדה חשמלי/ גל אלקטרומגנטי (קו טלפון אנלוגי, קוד מורס על גבי רשת הטלגרם מתחיל המאה ה20, פקס, משדרי רדיו RF…) מתקדם במהירות האור. זה לא יתרון יחודי לסיב אופטי. בבקשה תעשו שיעורי בית לפני שאתם מפרסמים כתבה

חייב כרטיס
Guest

לאמיתי,
על אף שגם בכבל קואקסיאלי מהירות ההעברה הוא מהירות האור, עדיין הוא פולט הרבה קרינה עקב ההתנגדות להולכה (מה שידידנו המלומד אמור לזהות כעכבה חשמלית) ולכן סובל מניחות רציני.
חעומת זאת בסיב אופטי הניחות הוא אפסי והעכבה היא עכבה אופיינית
במרחקים ארוכים בשימוש בכבלים צריך לתגבר את האות גם בגלל שיש מלא פיצולים וכל פיצול כזה בכבל מביא ניחות רציני.
פעם היה קו טלגרם צד לצד אבל היום זה לא רלוונטי…

wpDiscuz

תגיות לכתבה: