رقاقة متكاملة فوتونية ثورية من MIT: نحو نقل بيانات بمستوى بيتابيت، وسلسلة صناعة أشباه الموصلات ستشهد إعادة هيكلة.

جوهر الحدث

أعلن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) من خلال مشروع FUTUR-IC عن تحقيق تقدم كبير في مجال الدمج الإلكتروني-الفوتوني، حيث طور ثلاثة أنواع جديدة من المقرنات الضوئية (مقرنة المجال المتلاشي، ومقرنة معامل الانكسار المتدرج GRIN، بالإضافة إلى المقرنة التي طورها سابقًا فريق البروفيسور هو). توصف هذه المكونات بأنها "نقاط لحام" في المجال البصري، حيث يمكنها ربط الرقائق الضوئية بالرقائق الإلكترونية بكفاءة. الهدف هو تحقيق سرعات نقل بيانات تتجاوز 1 بيتابت/ثانية في المستقبل، مع تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير. يمكن إنتاج هذه التقنية باستخدام معدات تصنيع أشباه الموصلات الحالية، مما يمهد الطريق للتسويق التجاري.

لماذا هو مهم: الحل النهائي لاختناق الربط البيني لمراكز البيانات

مع الانفجار في الطلب على تدريب واستدلال الذكاء الاصطناعي، تتفاقم مشكلة اختناق النطاق الترددي داخل مراكز البيانات. يؤدي الربط الإلكتروني التقليدي عند السرعات العالية إلى زيادة هائلة في استهلاك الطاقة بسبب المقاومة وتوهين الإشارة، بينما يستخدم الربط الضوئي الضوء لنقل المعلومات، مما يوفر مزايا انخفاض الفقد وارتفاع النطاق الترددي. تعمل المقرنات الجديدة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على حل مشكلة هندسية دائمة في دمج السيليكون الضوئي - وهي كيفية تغليف المكونات الضوئية مثل مصادر الضوء والمعدلات والكاشفات مع الرقائق الإلكترونية CMOS بتكلفة منخفضة وموثوقية عالية. إذا نجحت هذه التقنية، سيدخل الربط البيني لمراكز البيانات عصر البيتابت، مما يدعم بشكل مباشر مجموعات أكبر من الذكاء الاصطناعي والبنية التحتية للحوسبة السحابية.

التفاصيل التقنية وتأثير سلسلة التوريد

تأثير التكنولوجيا

المسار التقني: تغطي المقرنات الثلاثة التي طورها MIT سيناريوهات تطبيق مختلفة - تدعم مقرنة GRIN نطاقًا واسعًا من الأطوال الموجية، مما يجعلها مناسبة لأنظمة مضاعفة تقسيم الطول الموجي؛ بينما تتميز مقرنة المجال المتلاشي بكثافة عالية وسهولة التصنيع، مما يجعلها مناسبة للتكامل عالي الكثافة. يمثل هذا خطوة حاسمة لانتقال السيليكون الضوئي من المختبر إلى التصنيع: لم يعد الاعتماد على حلول التوصيل الخارجية المكلفة والمعقدة (مثل الألياف العدساتية)، بل يتم تحقيق الربط الضوئي على مستوى الرقائق من خلال "النقاط الصغيرة" المشابهة لتلك الموجودة في التغليف الإلكتروني.

الحواجز التقنية: تكمن الصعوبة الرئيسية في مطابقة النمط الضوئي ودقة المحاذاة أثناء التغليف. يعمل حل MIT على تحسين بنية الموجّه ومعامل الانكسار لتخفيف متطلبات دقة المحاذاة مع الحفاظ على انخفاض الفقد البصري. بالإضافة إلى ذلك، سيساعد منصة Earthster للنمذجة في تقييم الأثر البيئي أثناء عملية الإنتاج، مما يساهم في تلبية متطلبات ESG.

تأثير سلسلة التوريد

• المنبع:
• موردو المكونات الضوئية: يمكن لشركات مثل Lumentum وCoherent الاستفادة، لأن تقنية MIT تزيد الطلب على المكونات النشطة عالية الأداء مثل الليزرات والكاشفات.
• معدات التغليف والاختبار: مثل ASM Pacific وBesi، التي تحتاج إلى تطوير معدات محاذاة وربط ذات دقة أعلى.
• المواد الحساسة للضوء ومواد الرقائق: سيزداد الطلب على مواد الموجّهات منخفضة الفقد (مثل نيتريد السيليكون والبوليمرات) في السيليكون الضوئي.المرحلة الوسطى:
• المسبك (Fab): قامت TSMC بالفعل بدمج الفوتونيك السيليكون في منصات التغليف المتقدمة الخاصة بها (مثل COUPE)، كما تعمل Samsung على تطوير حلول مثل I-Cube. إذا كانت تقنية MIT متوافقة مع عمليات CMOS الحالية، فقد تسرع انتقال الأطراف الثالثة إلى المسبك.
• IDM: Intel هي إحدى قادة الفوتونيك السيليكون، وتدفع بنشاط نحو التغليف البصري المشترك (CPO). قد يدفع اختراق MIT شركة Intel إلى تسريع التسويق.

• المرحلة السفلى:
• مشغلو مراكز البيانات: ستستفيد AWS وGoogle وMicrosoft بشكل مباشر من كثافة النطاق الترددي الأعلى واستهلاك الطاقة الأقل. من المتوقع أن ينمو سوق CPO بمعدل نمو سنوي مركب يتجاوز 25% خلال السنوات الخمس القادمة، وستخفض تقنية MIT عتبة التكلفة لـ CPO.

المشهد التنافسي

• تغيرات المشهد التنافسي:
• Intel: تمتلك منصة فوتونيك سيليكون كاملة، لكنها تعتمد بشكل أساسي على التصنيع الداخلي. قد تجذب تقنية MIT المزيد من شركات التصميم بدون مصنع لاستخدام مسبك تابع لجهة ثالثة، مما يتحدى النظام البيئي المغلق لـ Intel.
• TSMC: أعلنت بالفعل عن تمديد منصة التغليف المتقدمة COUPE لتشمل التكامل الفوتوني، وقد يتم تضمين تصميم المقترن (Coupler) من MIT في مكتبة IP القياسية لدى TSMC.
• NVIDIA: تستخدم وصلات عالية السرعة مثل NVLink في GH200 وGB200، وقد تتحول إلى حلول فوتونية مستقبلاً للحفاظ على الريادة.
• الشركات الصينية: تقوم Huawei وHiSilicon وغيرهما بالاستثمار بنشاط في الفوتونيك السيليكون، لكنها مقيدة بقيود التصدير على معدات التصنيع. إذا كانت تقنية MIT بقيادة أمريكية، فقد توسع الفجوة أكثر.

الآثار الإقليمية

• الولايات المتحدة: يدعم البحث في MIT من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم وغيرها، وهو اختراق وطني رئيسي. تتمتع الولايات المتحدة بميزة واضحة في تصميم الفوتونيك السيليكون وأدوات EDA، لكن التصنيع يعتمد على آسيا. توافق المقترن الجديد مع المعدات الحالية قد يعزز بناء نظام بيئي للتصنيع بالفوتونيك السيليكون داخل الولايات المتحدة.
• تايوان الصينية: باعتبارها رائدة في التصنيع التعاقدي، قامت TSMC بالفعل بتطوير الفوتونيك السيليكون، ويمكن أن يعزز الوصول إلى تقنية MIT ميزتها في التغليف المتقدم.
• اليابان: تمتلك شركات مثل Sumitomo وNTT تراكمًا تقنيًا تقليديًا في المجال الفوتوني، وقد أطلقت الحكومة اليابانية مشروع "التكامل الإلكتروني البصري"، وستوفر نتائج MIT معيارًا تقنيًا للمقارنة.
• أوروبا: تجري معاهد مثل IMEC البلجيكي وCEA-Leti الفرنسي أبحاثًا طويلة الأمد في الفوتونيك السيليكون، وقد يسرع اختراق MIT دور أوروبا في سلسلة CPO.
• الصين: تتقدم الرقائق الفوتونية المطورة محليًا بسرعة، لكن المعدات المتطورة محدودة. إذا شكلت تقنية MIT حواجز براءات اختراع، فقد تحتاج الشركات الصينية إلى التحايل أو تسريع التطوير المحلي.

منظور الاستثمار

الحماس في سوق رأس المال تجاه مفهوم CPO مرتفع.### منظور الاستثمار

سوق رأس المال متحمس بشدة لمفهوم CPO. وفقًا لبيانات LightCounting، من المتوقع أن يصل سوق CPO إلى عشرات المليارات من الدولارات بحلول عام 2028. يتيح اختراق MIT فرصة لمزيد من الشركات للمشاركة، مما يجعل موردي الوحدات الضوئية (مثل Zhongji Xuchuang و Xinyisheng) ومعدات التغليف (ASM PT) جديرة بالاهتمام. على المدى الطويل، ستستحوذ الشركات القادرة على تقديم حلول تكامل السيليكون الفوتوني الكاملة على المرتفعات في سلسلة القيمة.

التوقعات طويلة المدى

في غضون 3-5 سنوات القادمة، قد تُطبق تقنية MIT أولاً في التوصيلات البصرية داخل مراكز البيانات فائقة الحجم، لتحل تدريجياً محل بعض التوصيلات الكهربائية. في غضون 5-10 سنوات، مع انخفاض التكاليف، ستتغلغل إلى التوصيلات بين الخوادم وحتى على مستوى الرقاقة. لكنها تواجه تحديات: الإدارة الحرارية، اختبارات الموثوقية، والتوافق مع النظام البيئي الإلكتروني التقليدي. بالإضافة إلى ذلك، قد تغير تقنيات بديلة أخرى مثل الحوسبة الكمومية المسار. بشكل عام، يعد التكامل الفوتوني أحد الركائز الرئيسية لانتقال صناعة أشباه الموصلات من "قانون مور" إلى "ما بعد مور".

الخاتمة

إن مقرن MIT البصري ليس اختراقًا تقنيًا واحدًا، بل هو علامة فارقة تدفع اندماج الإلكترونيات والفوتونيات من المفهوم إلى الهندسة. تأثيره على سلسلة الصناعة منهجي: يحتاج موردو المعدات في المنبع إلى تحسين دقة المحاذاة، ويحتاج المصنعون المتعاقدون في منتصف السلسلة إلى دمج العمليات الفوتونية، وستحصل مراكز البيانات في المنبع على زيادة بمقدار مرتبة واحدة في معدل البيانات. في ظل المنافسة الجيوسياسية، ستمتلك الدول التي تتقن تقنيات التكامل الفوتوني الأساسية ميزة في سباق البنية التحتية للذكاء الاصطناعي.