Siliciumfotonica: licht als datasnelweg op de chip
Stel je een computerchip voor als een stad met miljoenen straatjes waar verkeer doorheen moet. Vandaag de dag rijdt dat verkeer als elektrische stroom door piepkleine koperen draadjes. Siliciumfotonica is de techniek waarbij dat verkeer wordt vervangen door licht, dat door minuscule glasachtige kanaaltjes op een chip reist in plaats van door koperdraad. Het is te vergelijken met de overstap die telefoonmaatschappijen decennia geleden maakten van koperen telefoonkabels naar glasvezel: licht kan veel meer informatie tegelijk vervoeren, met minder energieverlies, en dat voordeel wil men nu ook binnenin en tussen computerchips benutten.
Het bijzondere zit in het woord 'silicium': de fotonische (lichtgebaseerde) onderdelen worden gemaakt met dezelfde soort fabrieken en processen die al decennia gewone computerchips van silicium produceren. Dat maakt het in potentie betaalbaar en op grote schaal te produceren, iets wat met losse, exotische optische componenten veel lastiger is. Siliciumfotonica probeert zo het beste van twee werelden te combineren: de snelheid van licht en de productie-efficiëntie van de chipindustrie.
Wat is het precies?
In een gewone chip lopen elektrische signalen door koperen bekabeling, de zogeheten interconnects. Bij siliciumfotonica worden signalen in plaats daarvan omgezet in lichtpulsen die door golfgeleiders reizen: piepkleine kanaaltjes van silicium, vaak niet dikker dan een haar, die licht net zo geleiden als een glasvezelkabel dat op grotere schaal doet.
Om dit te laten werken zijn een paar bouwstenen nodig. Een modulator zet elektrische data om in lichtsignalen door de lichtstroom razendsnel aan en uit te knipperen of te variëren. Aan de ontvangende kant zet een fotodetector het licht weer om in een elektrisch signaal dat de rest van de chip kan verwerken. Daartussenin zorgen de golfgeleiders, gecombineerd met splitters en filters, ervoor dat het licht de juiste weg vindt, ongeveer zoals wissels een trein over het juiste spoor sturen.
Er is één hardnekkig probleem: silicium zelf is erg slecht in het uitzenden van licht, door de manier waarop elektronen zich in het materiaal gedragen (een eigenschap die natuurkundigen een 'indirecte bandgap' noemen). Daarom wordt de laser zelf meestal gemaakt van andere materialen, zoals indiumfosfide, en vervolgens met precisietechnieken op of naast de siliciumchip geplakt of gebonden. Dit heet hybride integratie en is een van de lastigste onderdelen van het hele vakgebied.
Wat wil men ermee bereiken?
De directe aanleiding is een knelpunt in datacenters en supercomputers. Hoe meer rekenkracht chips krijgen, hoe meer data er tussen chips, servers en opslagsystemen heen en weer moet. Koperbekabeling wordt bij hoge snelheden en langere afstanden steeds energieverslindender en warmer, en loopt tegen natuurkundige grenzen aan.
Licht heeft daar veel minder last van: het kan over langere afstanden data vervoeren zonder noemenswaardig energieverlies, en meerdere datastromen kunnen tegelijk over dezelfde golfgeleider reizen door verschillende lichtkleuren (golflengtes) te gebruiken, een truc die wavelength division multiplexing heet. Voor bedrijven die enorme hoeveelheden data verwerken, zoals cloudproviders en, steeds prominenter, aanbieders van AI-rekenkracht, betekent dit potentieel veel meer bandbreedte per watt aan energie.
Op de langere termijn hopen onderzoekers ook dat siliciumfotonica kan helpen bij nieuwe vormen van rekenen, waarbij bepaalde berekeningen sneller of zuiniger met licht kunnen worden uitgevoerd dan met elektronica. Dat is een ambitieuzer en onzekerder doel dan de meer nabije toepassing in datacommunicatie.
Voorbeelden uit de praktijk
Intel behoort tot de pioniers die siliciumfotonica daadwerkelijk in de verkoop hebben gebracht: sinds 2016 levert het bedrijf optische transceivers (module's die elektrische en optische signalen omzetten) op basis van deze techniek, aanvankelijk met snelheden rond 100 gigabit per seconde, inmiddels doorontwikkeld naar generaties van 400 en 800 gigabit per seconde voor gebruik in datacenters.
Cisco nam in 2018 het bedrijf Luxtera over, een specialist in siliciumfotonische chips voor datacommunicatie, om deze technologie te integreren in zijn eigen netwerkapparatuur.
In Nederland is PhotonDelta de belangrijkste speler: dit samenwerkingsverband, nauw verbonden met de Technische Universiteit Eindhoven, wil van Nederland een centrum voor de fotonische-chipindustrie maken. In 2022 kreeg het initiatief een grote bijdrage toegekend vanuit het Nationaal Groeifonds van de Nederlandse overheid, bedoeld om de opschaling van productie en toepassingen te versnellen.
Het Amerikaanse bedrijf Ayar Labs ontwikkelt zogeheten optische chiplets (kleine, los te combineren chipmodules) onder de naam TeraPHY, die data via licht tussen processoren kunnen uitwisselen. Het werkt hiervoor samen met grote chipmakers als Intel en AMD, met demonstraties van de technologie in de afgelopen jaren.
Ook Nvidia heeft, in samenwerking met chipfabrikant TSMC, aangekondigd siliciumfotonica te willen inzetten in netwerkschakelaars voor AI-datacenters, met als doel de enorme hoeveelheden data tussen duizenden AI-chips efficiënter te laten stromen. Dit soort aankondigingen betreft vaak nog aankomende producten; het is aan onafhankelijke tests om te bevestigen hoe de praktijkprestaties zich verhouden tot de marketingclaims.
Hoe ver is de techniek?
Voor de meest basale toepassing, optische transceivers tussen servers in een datacenter, is siliciumfotonica al jaren commercieel volwassen en wordt het op grote schaal ingezet door clouddiensten. Dit deel van de technologie kun je gerust als bewezen beschouwen.
Complexer wordt het zodra licht dichter bij, of zelfs binnenin, de processorchip zelf moet komen, zoals bij de genoemde optische chiplets en co-packaged optics (waarbij optische en elektronische onderdelen in één behuizing samen worden verpakt). Hier spelen nog forse technische obstakels: het nauwkeurig uitlijnen van licht tussen glasvezel en chip blijft lastig en kostbaar, de integratie van lasers vergt precisiewerk met meerdere materialen, en de productie moet nog verder opschalen om kosten omlaag te brengen.
Het tempo van vooruitgang is de laatste jaren duidelijk versneld, vooral gedreven door de datahonger van AI-toepassingen. Toch waarschuwen onderzoekers dat sommige aangekondigde tijdlijnen, zoals volledige optische verbindingen tot op de chip zelf binnen enkele jaren, nog niet met zekerheid zijn waargemaakt. Het blijft een gebied waarin laboratoriumdemonstraties en grootschalige, betaalbare productie soms uiteenlopen.
Wie werken eraan?
Aan de bedrijfskant zijn onder meer Intel, Cisco, GlobalFoundries, TSMC, Nvidia, Marvell en Broadcom actief, naast gespecialiseerde spelers zoals Ayar Labs en Lightmatter. Veel van deze partijen werken samen met de grote chipfabrikanten om hun ontwerpen daadwerkelijk te kunnen produceren.
Op onderzoeksgebied speelt het Belgische onderzoeksinstituut imec al jarenlang een vooraanstaande rol in siliciumfotonica, met een eigen productieplatform waar bedrijven en universiteiten ontwerpen op kunnen laten maken. In de Verenigde Staten coördineert AIM Photonics, een door de Amerikaanse overheid gesteund 'Manufacturing USA'-instituut, onderzoek en opschaling van fotonische productie.
Nederland positioneert zich met de eerder genoemde PhotonDelta-alliantie rond de TU Eindhoven als een van de Europese zwaartepunten op dit gebied. Ook universiteiten in het Verenigd Koninkrijk en België, en in toenemende mate onderzoeksgroepen in Oost-Azië, waaronder Taiwan en China, investeren in deze technologie, wat siliciumfotonica ook tot een onderwerp van geopolitieke aandacht maakt binnen de bredere discussie over chiptechnologie.