Fotonisch netwerk: data verzenden met licht in plaats van elektronen
Een fotonisch netwerk is een verbinding tussen chips, computers of servers waarbij informatie wordt vervoerd door licht, in plaats van door elektrische stroom door een koperdraad. De naam komt van "foton", het deeltje waaruit licht bestaat. In plaats van elektronen die door metaal worden gejaagd, flikkeren piepkleine lichtpulsjes door glasvezel of door minuscule lichtkanaaltjes op een chip, en elke flikkering staat voor een stukje data.
Een goede analogie is de snelweg. Elektrische signalen door koperdraad zijn als auto's op een smalle weg: hoe meer verkeer, hoe meer wrijving, hitte en vertraging. Licht door glasvezel is als een lege lucht boven die snelweg, waar veel meer "voertuigen" tegelijk en met minder weerstand voorbij kunnen. Thuisinternet via glasvezel werkt al zo tussen huizen en de straat. Het nieuwe is dat diezelfde lichttechniek nu wordt ingebouwd in datacenters en zelfs in en tussen computerchips zelf, omdat kunstmatige intelligentie enorme hoeveelheden data tussen processoren moet uitwisselen.
Wat is het precies?
In een fotonisch netwerk wordt data eerst omgezet in een lichtsignaal. Een laser levert een continue lichtstraal, en een modulator knippert of vervormt die straal razendsnel om nullen en enen te coderen, vergelijkbaar met morse maar dan miljarden keer per seconde. Dat gemoduleerde licht reist door een golfgeleider: een glasvezelkabel over lange afstand, of een microscopisch kanaaltje van glas of siliciumnitride op een chip over korte afstand.
Aan de ontvangende kant zet een fotodetector het licht weer om in een elektrisch signaal, want de chips die de data uiteindelijk verwerken (processoren, geheugen) werken nog altijd elektrisch. Een fotonisch netwerk vervangt dus niet de hele computer door licht, maar wel het vervoer van data tussen onderdelen.
Een belangrijke truc heet wavelength division multiplexing (golflengte-multiplexing): door tegelijk meerdere kleuren licht door dezelfde vezel te sturen, elk met eigen data, past er veel meer informatie in één kabel dan met één signaal. Dit principe wordt al decennia gebruikt in het wereldwijde telecomnetwerk.
De nieuwste ontwikkeling is silicium-fotonica: het maken van lasers, modulatoren en detectoren met dezelfde fabricagetechnieken als gewone computerchips (CMOS-processen). Daardoor kunnen fabrikanten optische onderdelen direct naast of zelfs in een processor plaatsen, in plaats van los in een kabeltje aan de achterkant van een server. Dit heet ook wel co-packaged optics: optica die samen met de rekenchip in één behuizing (package) wordt verpakt.
Wat wil men ermee bereiken?
De directe aanleiding is de explosieve groei van kunstmatige intelligentie. Grote AI-modellen worden getraind op duizenden processoren tegelijk, die voortdurend tussenresultaten met elkaar moeten uitwisselen. Koperbedrading kan die hoeveelheid data niet meer bijbenen zonder onhoudbaar veel stroom te verbruiken en warmte te produceren.
Licht heeft daar een fysisch voordeel: fotonen wisselwerken nauwelijks met elkaar en verliezen over korte afstanden vrijwel geen energie, terwijl elektrische signalen in koper weerstand ondervinden die als warmte verloren gaat. Voor elke gigabit aan data die over een langere koperverbinding gaat, is aanzienlijk meer energie nodig dan over een optische verbinding van gelijke lengte.
Concreet wil de industrie drie dingen: meer bandbreedte (meer data per seconde), minder energieverbruik per verzonden bit, en meer dichtheid (meer verbindingen op minder ruimte, zodat serverrekken compacter en koeler kunnen blijven). Daarnaast hopen sommige onderzoekers op termijn ook rekenwerk zelf met licht te doen, niet alleen transport, maar dat staat nog in een veel vroeger, experimenteel stadium.
Voorbeelden uit de praktijk
Google gebruikt al sinds het midden van de jaren 2010 optische circuitschakelaars in zijn datacenters, met piepkleine spiegeltjes (MEMS-technologie) die lichtpaden fysiek omleiden zonder het signaal eerst weer elektrisch te maken. Dit werd beschreven in het veelgeciteerde "Jupiter"-onderzoek van het bedrijf en vormt de ruggengraat van de interne netwerkstructuur.
Intel levert al jaren optische transceivers (omzetters tussen elektrisch en optisch signaal) op basis van silicium-fotonica voor datacenternetwerken, en heeft daarnaast een experimentele chiplet getoond die licht direct vanaf de chipbehuizing laat vertrekken, zonder tussenstap via een aparte kabelaansluiting.
Ayar Labs, een Amerikaanse start-up, ontwikkelt een optische I/O-chiplet (een klein extra blokje siliciumfotonica dat naast een processor wordt geplaatst) waarmee chips rechtstreeks via licht met elkaar kunnen praten. Het bedrijf werkt samen met grote chipmakers aan het testen van deze techniek voor toekomstige AI-processoren.
Lightmatter, eveneens een Amerikaanse start-up, presenteerde een fotonisch verbindingsplatform genoemd Passage, bedoeld om meerdere AI-chips binnen één systeem met licht te verbinden in plaats van met traditionele bedrading.
Nvidia heeft netwerkswitches aangekondigd die co-packaged optics gebruiken om de verbindingen tussen duizenden AI-chips in een datacenter te versnellen. Dit soort producten bevindt zich bij aankondiging doorgaans nog in de fase tussen prototype en eerste commerciële uitrol, en de daadwerkelijke marktintroductie loopt vaak een jaar of langer achter op de aankondiging.
Hoe ver is de techniek?
Fotonische netwerken zijn niet nieuw: het wereldwijde onderzeese en landelijke telecomnetwerk werkt al decennia op glasvezel en is volwassen technologie. Wat wél nieuw en nog in ontwikkeling is, is fotonica die zo dicht mogelijk bij, of zelfs in, de rekenchip zelf komt.
Die verschuiving van "licht tussen gebouwen" naar "licht tussen chips in dezelfde kast" bevindt zich in een overgangsfase: sommige onderdelen (transceivers, optische switches) worden al in datacenters gebruikt, terwijl co-packaged optics rond AI-processoren grotendeels nog in de testfase of vroege commerciële fase zit.
De belangrijkste obstakels zijn kosten, betrouwbaarheid van lasers op lange termijn, en warmtemanagement: lasers zijn gevoelig voor temperatuurschommelingen, terwijl ze vlak naast hete AI-chips moeten functioneren. Ook ontbreken nog brede industriestandaarden, wat het voor verschillende fabrikanten lastiger maakt om onderling compatibele systemen te bouwen. Fotonisch rekenen (licht gebruiken om berekeningen zelf uit te voeren, niet alleen data te vervoeren) staat nog veel vroeger in de ontwikkeling en blijft grotendeels beperkt tot onderzoekslabs en kleine pilotprojecten.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn grote chip- en clouddbedrijven als Intel, Nvidia, Cisco, Broadcom, Marvell, Google en Microsoft actief betrokken, naast gespecialiseerde start-ups zoals Ayar Labs en Lightmatter. Onderzoeksuniversiteiten als MIT en Berkeley leveren een deel van de onderliggende wetenschap.
Ook Europa, en Nederland in het bijzonder, speelt een rol. Rond de Technische Universiteit Eindhoven is een sterke fotonica-sector ontstaan, mede dankzij het initiatief PhotonDelta, dat met steun vanuit het Nationaal Groeifonds werkt aan het opschalen van de Nederlandse fotonische-chipindustrie. Het Belgische onderzoeksinstituut imec is eveneens een belangrijke Europese speler op het gebied van silicium-fotonica.
Omdat veel van deze ontwikkelingen recent en deels nog vertrouwelijk zijn, verschillen exacte tijdlijnen en cijfers per bron, en is voorzichtigheid op zijn plaats bij het interpreteren van aankondigingen als voldongen feit.