Перспективные приложения кремниевой фотоники

Интернет и мобильная связь проникли во все сферы жизни человека, активно развиваются облачные сервисы и потоковое телевидение высокой четкости, набирает силу Интернет вещей. Все это в ближайшие годы приведет к экспоненциальному росту объема передаваемых в сеть данных и увеличению спроса на новые технологии, обеспечивающие повышенную пропускную способность информационных каналов. Подобные разработки могут применяться при передаче данных на всем пути от пользователя до дата-центров, внутри дата-центров и даже между чипами в мультипроцессорных системах современных суперкомпьютеров при расчетах «больших данных» (big data). В настоящем выпуске информационного бюллетеня представлены перспективные направления фотоники — беспроводная оптическая связь, или оптика свободного пространства (служит для передачи информации посредством излученияот светодиодов и лазеров), и кремниевая фотоника, которая значительно удешевляет и миниатюризирует решения по передаче света через оптические волокна на короткие расстояния.

Версия для печати: 

Перспективные приложения кремниевой фотоники

Дата-центры переходят на оптическую связь

Трафик через дата-центры в ближайшие пять лет вырастет втрое: с 5 зеттабайт (Збайт) в 2015 г. до 15 Збайт к 2020 г. Увеличение объема данных, распространение концепции параллельных вычислений, предполагающей одновременную работу нескольких серверов, повышают требования к скорости их передачи. В подавляющем большинстве дата-центров сейчас используются сетевые кабели. Их пропускная способность (основанная на передаче электрического сигнала) достигла своего предела и недостаточна для удовлетворения растущих потребностей в высокоскоростной передаче данных. За счет оптических коммуникаций можно достичь значительного прогресса как в скорости обмена информацией, так и в дальности расстояния, на которое передается сигнал.

Решения для оптических коммуникаций, доступные на рынке сегодня, выглядят как громоздкие системы с несколькими разделенными элементами, выполняющими функции генерации излучения, раздельной модуляции и детектирования.Технологии кремниевой фотоники совмещают все указанные элементы, включая среду для транспортировки света между ними, на одном кремниевом чипе. Переход на них сократит общие энергозатраты дата-центров, приведет к снижению тепловыделения и веса оборудования, в частности кабелей.

 

---

 

---

 

Эффекты  Подготовка инфраструктуры дата-центров к реализации технологий Интернета вещей и к росту облачных сервисов    Увеличение эффективности обработки «больших данных»   Рост количества разработок в области лазерных излучателей на основе кремния

Оценки рынка $410  млн к 2024 г. составит совокупный объем рынка решений кремниевой фотоники для дата-центров (среднегодовой темп роста – 40%) 212 млн ед. к 2024 г. – количество устройств кремниевой фотоники

Драйверы и барьеры    Технологические сложности, связанные с созданием излучателя на основе кремния    Развитие облачных сервисов и переход от традиционных внутриорганизационных дата-центров к централизованным облачным аналогам    Технологические сложности, связанные с невозможностью создания излучателя на основе кремния   Высокие затраты на разработку решений кремниевой фотоники    Высокие затраты на техническое переоснащение существующих дата-центров

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Белые пятна» – существенное отставание от мирового уровня, отсутствие (или утрата) научных школ.

Оптическая связь для суперкомпьютеров

Для вычислений в области квантовой физики, молекулярного моделирования, симуляции физических процессов, климатических исследований и прогнозирования погоды нужны высокопроизводительные вычислительные машины. Использование одного процессора уже не позволяет получить требуемую производительность, что приводит к распространению концепции мультипроцессорной системы.

В такой системе вычисления распределены между множеством процессорных чипов, а ее производительность прямо пропорциональна их количеству. Благодаря использованию кремниевой фотоники все процессоры связываются между собой и с модулями памяти проводящими дорожками, сформированными в кремнии во время производства чипа. При этом создается миниатюрное подобие телекоммуникационной сети, максимальная пропускная способность которой ограничена (загруженность процессоров зависит от своевременности подвода к ним пакетов информации). Переход от электронной передачи к оптической (на основе кремниевой фотоники) существенно повышает пропускную способность сети-на-чипе, одновременно снижая энергозатраты и тепловыделение. Оптические и модулирующие компоненты системы создаются на чипе в рамках одного технологического процесса, так же как при изготовлении традиционных микроэлектронных устройств. А увеличение стоимости производства при этом минимально благодаря использованию традиционного материала микроэлектронной промышленности — кремния.

---

 

---

 

Эффекты   Увеличение вычислительного потенциала современных суперкомпьютеров    Увеличение скорости комплексного моделирования для прогнозирования различных процессов в науке и технике   Расширение использования решений кремниевой фотоники в потребительской электронике

Оценки рынка $435  млн может составить к 2024 г. совокупный объем рынка решений кремниевой фотоники для высокопроизводительных вычислительных машин (среднегодовой темп роста — до 46%). В 2024 г. численность устройств кремниевой фотоники для высокопроизводительных компьютеров составит 108,6 млн ед.

Драйверы и барьеры   Повышение требований к производительности суперкомпьютеров   Оптические сети создаются в одной системе и на основе одного материала с процессорами   Традиционные электронные соединения не позволяют достичь нужных скоростей передачи информации от чипа к чипу   Технологические сложности в создании кремниевого излучателя: необходимость усложнения архитектуры чипа и использования лазеров на основе других материалов   Высокие затраты на разработку решений кремниевой фотоники

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Белые пятна» – существенное отставание от мирового уровня, отсутствие (или утрата) научных школ.

Оптика свободного пространства 

С каждым годом увеличивается потребность в беспроводной передаче данных на больших скоростях. Новые решения, требующие выделения новых частот в «густонаселенном» радиодиапазоне электромагнитного спектра, не могут обеспечить высокоскоростной передачи информации (больше 1 Гбит/сек) на большие расстояния, а прокладка оптоволоконных сетей весьма затратна. Альтернативой радиочастотному диапазону для некоторых специфических областей применения может стать видимый, инфракрасный и ближний ультрафиолетовый диапазоны излучения. Такой вид связи получилназвание Free space optics (FSO) — оптика свободного пространства.

На рынке уже представлены решения для наружной передачи оптической информации на большие расстояния (до 150 км) и для оптических сетей внутри помещения (Visible light communication — VLC), выстраиваемых посредством высокочастотной модуляции света, испускаемого светодиодными лампами (LED). К потенциальным применениям технологии оптической беспроводной связи относят коммуникации между чипами, передачу на короткие расстояния (в том числе под водой), коммуникации на средние (Li-Fi сети, связь автомобиля с инфраструктурой и с другими транспортными средствами), дальние (например, между зданиями) и сверхдальние (космическая связь) расстояния.

 

---

---

 

Эффекты   Появление в потребительской электронике модулей для приема и передачи беспроводной оптической информации    Новые возможности для создания устройств «умного» дома   Подключение к сети труднодоступных регионов   Устройства научатся «общаться» с окружающей «умной» инфраструктурой посредством света

Оценки рынка $8,5  млрд может составить к 2020 г. совокупный объем рынка решений оптической беспроводной связи на короткие расстояния внутри помещений (VLC) при среднегодовом темпе роста до 92% (2015–2020 гг.) Рынок беспроводной оптической коммуникации на дальние и сверхдальние расстояния оценивается почти в $1 млрд к 2020 г. (среднегодокой темп роста — ок. 50%)

Драйверы и барьеры   Потребность в удешевлении передачи информации на высоких скоростях на дальние расстояния   Потребность в создании защищенных сетей в рамках одного помещения или комнаты    Высокая экономичность технологии при использовании светодиодных ламп в качестве источников сигнала   Экономичный способ решения проблемы «последней мили» в телекоммуникации при доставке сигнала от провайдера до пользователя   Зависимость пропускной способности при передаче на дальние расстояния от текущих погодных условий   Источник беспроводного сигнала должен находиться в прямой видимости приемника излучения

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы» – наличие базовых знаний,  компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития  соответствующих направлений исследований.

---