Geïntegreerde fotonica

Nederland brengt chips verlichting

Verlichting voor chips

Nederland spreekt best een woordje mee bij het creëren van de computingwereld van de toekomst. Bij ASML in Veldhoven worden technische grenzen verlegd om de befaamde Wet van Moore enigszins in stand te houden en chipstructuren op steeds kleinere schaal te kunnen maken. Wetenschappers van Nederlandse universiteiten en Microsoft werken in Delft aan een quantumcomputer die ongekende eigenschappen moet krijgen wat schaalbaarheid en stabiliteit betreft, als de theorieën tenminste in de praktijk te brengen zijn. En dan hebben we natuurlijk NXP, leider op de snelgroeiende markt van chips voor auto’s.

Als het aan overheden, bedrijven en universiteiten ligt, komt daar een nieuwe, belangrijke tak bij: die voor fotonica. Vorig jaar kwamen ze overeen de komende acht jaar meer dan 240 miljoen euro te investeren in de Nederlandse fotonicasector, verenigd in de publiek-private samenwerking PhotonDelta. De regio Eindhoven speelt een belangrijke rol bij dit initiatief, maar ook de Novio Tech Campus in Nijmegen, de Radboud Universiteit Nijmegen, evenals de universiteiten en techbedrijven in Twente en Delft. Het kabinet schaarde zich achter een Nationale Agenda Fotonica, die van de technologie een speerpunt maakt en waarmee Nederland zich internationaal presenteert als één grote fotonische regio.

Fotonen in plaats van elektronen

Die aandacht komt niet uit te lucht vallen. Al jaren zijn de verwachtingen voor fotonica hooggespannen. ‘Fotonica’ is heel breed; het gaat om technologie die zich richt op het opwekken, transporteren, bewerken en detecteren van licht, oftewel fotonen. Zo vallen bijvoorbeeld beeldschermen, verlichting, lasers, zonnecellen, sensoren en glasvezelnetwerken er allemaal onder. Waarin Nederland nu wereldwijd het voortouw neemt, zijn de essentiële stappen in de ontwikkeling en productie van chips die werken op basis van fotonen in plaats van elektronen.

Deze chiptechnieken moeten een belangrijke rol gaan spelen bij onder andere datacommunicatie, gezondheidszorg, duurzaamheid, mobiliteit, veiligheid en landbouw. Naar schatting zijn al bijna driehonderd bedrijven in Nederland actief op het gebied van fotonica. Daar moeten er nog vele bijkomen als het aan Ton Backx ligt. Hij is directeur van het Institute for Photonic Integration en voormalig topman van PhotonDelta. “In 1947 is de transistor uitgevonden, in 1958 volgde het eerste geïntegreerde circuit, en in 1968 ontstond Intel, en formuleerde Gordon Moore zijn befaamde wet. Micro-elektronica heeft sindsdien een enorme bijdrage aan maatschappelijke ontwikkelingen geleverd en bijna alle apparaten zijn ermee uitgerust. We staan nu aan het begin van een soortgelijke ontwikkeling, maar dan met geïntegreerde fotonica.”

Fotonen hebben op papier veel betere eigenschappen om signalen over te brengen dan elektronen. Elektronen hebben lading en massa, hoewel de massa met 9,11 x 10⁻³¹ kilogram wel heel klein is. Ze hebben hoe dan ook een sterke interactie met het materiaal waarin ze bewegen. Ze botsen met het materiaalrooster en dat vertaalt zich als weerstand, waardoor een signaal dat door dat materiaal wordt geleid, steeds zwakker wordt. De beweeglijkheid van elektronen in het halfgeleidermateriaal is dus beperkt en dat begrenst uiteindelijk de maximale frequentie waarvoor de signalen nog versterkt kunnen worden. Naarmate we dichter bij deze grensfrequentie komen, is steeds meer energie nodig om signalen te versterken. Een belangrijk deel van deze energie komt vrij in de vorm van warmte die moet worden afgevoerd.

Bij fotonen speelt dit niet, want die hebben geen lading en geen massa. Bij het transport treden nauwelijks verliezen op en de warmteproductie is minimaal. Ook hebben fotonen geen last van verstoring door elektrische of magnetische velden. Licht kan veel meer informatie dragen door het brede frequentiespectrum; de potentiële bandbreedte is daarmee veel groter. Die voordelen van fotonen voor datacommunicatie zijn al lang bekend en de telecomindustrie benut ze bij transport over lange afstanden, namelijk met glasvezelinternet. Nu is de chipmarkt toe aan fotonica, volgens Backx.

“De optimale kloksnelheid om data te verwerken met op silicium gebaseerde processors met zo weinig mogelijk verlies, lijkt zo’n 3,5GHz te zijn. Daar zitten we al meer dan tien jaar op. De kloksnelheid lijkt niet veel meer omhoog te kunnen. Die begrenzing hangt samen met het energiegebruik. De energie komt vrij in de vorm van warmte en we kunnen de warmte niet meer kwijt. Als we naar hogere snelheden willen, moeten we naar een lagere hoeveelheid energie per bit”, stelt Backx. Door geïntegreerde fotonica zou de kloksnelheid in theorie met een factor duizend kunnen toenemen.

Laser gecombineerd met op siliciumnitride gebaseerd fotonisch circuit van Lionix uit Enschede

Fotonische chips

Een op fotonica gebaseerde complexe processor als vervanger voor de huidige cmos-processors met transistors is evenwel nog toekomstmuziek. De markt probeert momenteel toe te werken naar de massaproductie van relatief eenvoudige photonic integrated circuits, of pic’s. De eerste sector die hiervan op grote schaal gebruik zal maken, is die van datacentra. Het energiegebruik van datacentra in combinatie met de exploderende hoeveelheid te verwerken data is een groeiend probleem voor Facebook, Microsoft en Google (zie kader).

Steeds meer datacentra maken gebruik van optische interconnects om servers te verbinden. Die werken nu op maximaal 100Gbit/s, maar volgend jaar maken de eerste datacentra de overstap naar 400Gbit/s en voor 2021 staan 1Tbit/s-verbindingen op de planning. Bij dergelijke snelheden is elektronica eigenlijk niet meer toereikend. Bij elke vertaalslag van de optische signalen naar elektrische treedt verlies van energie op, dus de wens is om het optische netwerk uit te breiden naar zoveel mogelijk onderdelen in de dataketen. Naarmate fotonische chips kleiner en goedkoper worden, kunnen ze worden ingezet voor dataverbindingen op steeds kortere afstanden.

Foto: Florian Lemaitre

Dat is nodig, want ook op moederbordniveau groeit de hoeveelheid data die moet worden verwerkt, en gaan ook hier de nadelen van elektronica een rol spelen. Een Nederlandse organisatie die hier al tegenaan loopt, is Astron. De radiotelescopen van het instituut genereren verscheidene terabits per seconde. Astron doet dan ook al jaren onderzoek naar het gebruik van fotonische chips. De Nederlandse fotonicasector verwacht dat op allerlei terreinen waar erg grote hoeveelheden data moeten worden verwerkt, fotonische chips nodig zullen zijn.

Behalve voor datacenters geldt dat in de nabije toekomst voor 5g. Om de belofte van veel meer bandbreedte, betere stabiliteit en lage latency waar te maken, moeten providers voor de opvolger van 4g meer basestations plaatsen. Die zijn met glasvezel verbonden en op den duur zal het lonen om pic’s te integreren in de basestations en andere onderdelen van de 5g-infrastructuur, zo is de verwachting.

Fotonica voor datacenters

Op één terrein lijkt fotonica bij uitstek welkom: bij datacentra. Die slurpen namelijk enorm veel energie. Het gaat naar schatting om 200 tot 416TWh per jaar, oftewel één tot meer dan twee procent van de totale wereldwijde energieconsumptie. Ter vergelijking: In Nederland was in 2018 al elf procent van de totaal gebruikte elektrische energie nodig voor het afhandelen van het dataverkeer. De verwachting is dat het wereldwijde verbruik gaat toenemen met veertien tot veertig procent, afhankelijk van hoeveel het dataverkeer groeit. IDC voorspelt dat de totale hoeveelheid gegenereerde data toeneemt van 33 zettabyte in 2018 naar 175 zettabyte in 2025 en tegen die tijd zou bijna de helft van alle data bij datacenters gestald zijn. Aangezien de rek eruit lijkt om processors zuiniger te maken, biedt fotonica wellicht uitkomst.

Andere toepassingen zijn die voor lidars, waarbij ‘lidar’ staat voor light detection and ranging. De lidar is de optische radar van autonoom rijdende voertuigen. Die werken nu nog met bewegende onderdelen, maar de solidstatevarianten die in ontwikkeling zijn, doen dat niet. Die werken op basis van een optisch phased array-principe. Een reeks transmitters verzendt fotonen in patronen waarbij gecontroleerd beam forming optreedt op basis van interferentie. De fotonen reflecteren op objecten en detectoren van de lidar vangen deze weer op. Dankzij het time-of-flightprincipe kan de lidar de afstand tot objecten bepalen en de omgeving met hoog oplossend vermogen in kaart brengen. Omdat geen bewegende onderdelen nodig zijn, kunnen fabrikanten solidstatelidars kleiner en goedkoper maken. Pic’s kunnen de optische signalen verwerken.

In Nederland zijn twee bedrijven die pic’s maken: LioniX en Smart Photonics. Daarnaast zijn er twee bedrijven die zich toeleggen op het plaatsen van bijvoorbeeld verschillende pic’s in een enkele package. Dat zijn Technobis en PhiX. “De bouwstenen van een fotonische chip zijn onderdelen voor het genereren van licht, oftewel de lichtbron, die voor het manipuleren van licht en een detector”, vertelt Jeroen Duis, chief commercial officer bij PhiX. “Het meest elementaire onderdeel is de waveguide, voor het manipuleren van het licht op je optische circuit. Door waveguides in boogjes op de chip te plaatsen kun je golflengtes scheiden. Dankzij de gebogen waveguides van verschillende lengte krijg je faseverschuivingen, en constructieve en destructieve interferentie, waardoor je verschillende kleuren in een lichtbundel kunt scheiden.”

Op vertical cavity surface emitting laser gebaseerde interconnects voor datacenters. Foto: Bart van Overbeeke

Fotonica en elektronica gecombineerd

Dankzij dit principe kan een photonic integrated circuit licht van een enkele glasvezelkabel ontvangen, dat omzetten in een groot aantal datakanalen en omgekeerd. Chips kunnen die
kanalen gebruiken om data op hoge snelheid te verwerken. “Hetzelfde principe wordt ook voor
gassensoren gebruikt, waarbij de kleur licht aangeeft welk gas aanwezig is en de intensiteit
gebruikt wordt om de concentratie hiervan te bepalen. Door zo’n geïntegreerde sensor in een
smartwatch te integreren kan bijvoorbeeld voor een diabetespatiënt het glucoseniveau
worden bepaald zonder dat hij of zij geprikt hoeft te worden”, vertelt Duis. Voor het aansturen en uitlezen van deze fotonische chips worden ze gecombineerd met de vertrouwde en beproefde elektronica.

“Bedrijven zijn bezig geweest om bijvoorbeeld een 28nm-cmos-chip en een op 65nm geproduceerde, fotonische chip te integreren, maar dat werkte niet”, volgens Duis. Voor de cmos-chip is er de wens om over te stappen op steeds kleinere productieprocedé's, omdat de chips hiermee zuiniger worden, maar bij een gecombineerd ontwerp betekent dit dat de fotonische chip ook moest worden aangepast als de elektronica op een kleiner productieproces moest worden gemaakt. Bij fotonische chips is de schaalverkleining veel moeilijker te realiseren omdat fotonica schaalt met de Maxwell-vergelijkingen en niet met Moore. De oplossing is daarom om afzonderlijke fotonische chips en cmos-chips in een enkele package te plaatsen. Dat betekent dat de fabrikant verschillende chips op een enkel substraat plaatst met een glasvezelkabel als input en/of output.

Hierin is PhiX gespecialiseerd, maar dit brengt zijn eigen moeilijkheden met zich mee. “De plaatsing van de fotonische chip moet op 0,2 micrometer nauwkeurig. Bij de elektronische chip hoeft dat veel minder nauwkeurig en is 10 micrometer de standaard. De assemblage van elektronicachips kan daardoor met zesduizend chips per uur. Bij fotonische chips is dat nog geen tiende deel. De uitdaging is om dat op te schalen naar grotere volumes en de prijzen omlaag te krijgen.” Daarnaast worden nu de huidige chips voor telecommunicatie nog hermetisch verpakt vanwege een eis dat ze 25 jaar betrouwbaar moeten blijven. Dit betekent dat het bedrijf een package moet solderen of lassen in een inerte omgeving. Voor de nieuwe markten moet goed worden gekeken of deze dure processstappen nog nodig zijn of dat de chips op een andere manier voldoende kunnen worden beschermd tegen omgevingsfactoren, op een manier die vergelijkbaar is met die van de huidige elektronicaverpakkingsmethode.

Machine van Phix en Fraunhofer IPT verbindt zestien glasvezels
met fotonische chip

De assemblage was tot nu toe semigeautomatiseerd; een deel gebeurde nog met de hand. Door dit alles maakt de packaging tachtig procent van de kosten uit. De aansluiting van de glasvezelkabel is bijvoorbeeld een precisiewerkje dat medewerkers in Azië veelal met de hand moeten doen. Samen met het Duitse technologie-instituut Fraunhofer IPT heeft PhiX een machine ontwikkeld die dit werk geautomatiseerd uitvoert. Deze voorziet minuscule gleufjes in een fotonische interface van een druppel lijm en legt daar de haardunne glasvezels een voor een in. Het wegnemen van dit soort arbeidsintensieve stappen in het assemblageproces is noodzakelijk voor de verwachte groei. Duis: “We weten technisch gezien wat we moeten doen. Nu moet de productie opschalen, waarmee het economisch rendabel wordt. De productie kan dan volledig geautomatiseerd in Nederland gebeuren.”

Welk basismateriaal?

In Eindhoven zit een bedrijf dat ernaar streeft de fotonische foundry van de Lage Landen te worden: Smart Photonics. Toch is dit geen concurrent van LioniX, de pic-fabrikant uit Enschede. In Eindhoven gooien ze het namelijk over een andere boeg. Fotonische chips zijn in drie hoofdcategorieën onder te verdelen en dat onderscheid is gebaseerd op het gebruikte basismateriaal. Er zijn fotonische chips op basis van siliciumnitride (Si₃N₄), indiumfosfide (InP) en silicium-on-isolator. Elk van deze drie heeft zo zijn positieve en negatieve eigenschappen.

In Twente is de techsector gespecialiseerd in pic’s op basis van siliciumnitride. Het voordeel is dat ze een hoge bandbreedte kunnen bieden en weinig energie verliezen. Het nadeel is dat ze geen actieve componenten kunnen bevatten. Dat betekent dat een laser of photodiode altijd extern moet worden aangekoppeld. In de VS is men sterk gericht op silicium-op-isolator. Dit materiaal heeft als voordeel dat het kan worden gemaakt in de grote micro-elektronicafabrieken, waar zeer goede apparatuur is voor grootschalige productie, maar een nadeel is dat er geen lasers en optische versterkers mee kunnen worden gemaakt.

In Eindhoven werken ze op de universiteit en bij de bedrijven met indiumfosfide. In dit materiaal kunnen ze zowel passieve als actieve onderdelen maken en zo de chip zelf licht laten genereren, moduleren of versterken. In tegenstelling tot voor silicium is hiervoor nog geen grootschalige infrastructuur aanwezig. De foundry Smart Photonics is opgezet om de productie van
deze chips commercieel op te schalen. Ze kunnen op dit moment wel complexe chips met actieve onderdelen flexibel samenstellen. Als de InP-pic’s hun belofte waarmaken, zitten ze in Eindhoven op rozen. De regio loopt wereldwijd flink voorop met onderzoek hiernaar.

Cleanroom van het NanoLab@TU/e

Van videodisc tot halfgeleiderindustrie

De regio heeft die positie niet zomaar gekregen, vertelt Ton Backx. “De basis ligt bij het Natlab van Philips. Daar hielden ze in de jaren zestig van de vorige eeuw vrijdagmiddagsessies waarbij wetenschappers van verschillende disciplines onderling discussies voerden. Een van die discussies leidde tot een weddenschap welke technologie zo dicht mogelijk data kon opslaan, magnetisch of optisch. Onderzoek bij het Natlab leidde tot de ontwikkeling van eerst de videodisc en later de compact disc. De toepassing in de praktijk in de jaren tachtig leidde tot een enorme boost in de ontwikkeling van fotonica.” Eind jaren negentig werd Eindhoven door de overheid tien miljoen gulden per jaar toegezegd voor de ontwikkeling van geïntegreerde fotonica. Mede hierdoor maakte een grote naam wat optisch onderzoek betreft de overstap van Delft naar Eindhoven: Meint Smit.

Smit is uitvinder van de arrayed waveguide grating. Dit is een optische component met waveguides voor het scheiden van lichtsignalen in verschillende kanalen met verschillende golflengte of het combineren ervan. Ze worden veel gebruikt bij geïntegreerde fotonica. “Ik was in de jaren tachtig medewerker van Gerard Acket, groepsleider bij Philips en deeltijdhoogleraar aan de TU Delft. Belangrijke uitvindingen van die tijd waren de arrayed waveguide grating optische multiplexer en de multimode interference coupler. Die componenten zitten nu in bijna iedere fotonische chip”, vertelt Smit. Eind jaren negentig maakte hij de overstap van Delft naar de TU/e, waar hij de Photonic Integration-groep ging leiden. Het belangrijkste werk van de afgelopen jaren is volgens hem de ontwikkeling van gestandaardiseerde integratietechnologie waarmee in een enkel fabricageproces een hele variëteit aan fotonische chips kan worden gemaakt. “Dat opent de weg voor bedrijven om betaalbaar onderzoek aan prototypes te onderzoeken. Iedere maand zetten we tientallen verschillende designs op een wafer.”

Eind vorig jaar ging Smit met pensioen, maar hij blijft nauw betrokken bij diverse projecten om van dichtbij mee te maken hoe de markt voor geïntegreerde fotonica opbloeit. “We dachten in de jaren tachtig al dat geïntegreerde fotonica in de jaren negentig commercieel zou worden. En in de jaren negentig dachten we dat het rond 2000 zou gebeuren. Rond de eeuwwisseling begonnen we te twijfelen en waren we bang dat het altijd een veelbelovende techniek zou blijven, maar rond 2015 begon de echte doorbraak. Het kan nog wel tot 2030 duren voordat het een miljardenmarkt is, maar het zit nu wel in een stroomversnelling.”

Tweakers Magazine

Een variant van dit artikel verscheen eerder in het Tweakers Magazine, dat elke twee maanden naar alle Hero- en Elite-abonnees wordt verstuurd. Wil jij dit soort artikelen ook als eerste lezen en daarnaast profiteren van alle voordelen die een abonnement biedt? Check dan de Aboshop voor meer info. Je bent al Hero-abonnee vanaf 3,75 euro per maand. Jullie steun wordt enorm gewaardeerd.

Reacties (42)

[The Jester]

Bij fotonen speelt dit niet, want die hebben geen lading en geen massa.

Dat klopt niet. De rustmassa is nul.
Wanneer een foton in beweging is, neemt de relativistische massa toe: E=MC²

Immers: als er geen massa zou zijn, is M=0 en dan boeit C voor geen meter: x maal 0 is en blijft immers 0.

En ook waar het de doorvoer op een glasvezel betreft, wordt in het artikel de plank (deels) misgeslagen: Ja, 100Gbps is momenteel het maximum op 1 interface, maar dan hebben we het over 4x 25Gbps met 1 QSFP: een WDM (Wave Division Multiplexing) techniek, waarbij 4 golflengtes simultaan worden gebruikt.
Bij D(ense) WDM kun je 16x25Gbps door 1 vezel rammen: 400Gbps kan dus al.
Als je een dikke portemonnaie hebt, kun je dat zelf door een dark fiber sturen.

In hoeverre dat zinvol is, is een tweede.
Ja: leuk om dat transatlantisch te doen, maar dat gaat 'm voorlopig niet worden.
Er moet immers om de, pak 'm beet, 100KM een versterker staan en die moeten zowel de bitrate als de golflengtes ondersteunen. Tegen de tijd dat we 1Tbps transatlantisch over 1 vezel kunnen sturen zijn we allemaal een stuk ouder.

Niettemin: hulde voor het artikel. Het biedt een leuke blik op wat ons te wachten staat.
Gezien de omvang begrijp ik dat er her en der wat bochten zijn afgesneden, maar de lezer moet, IMHO, niet kunnen verwachten dat op (korte) termijn multi-gigabit verbindingen gemeengied zijn. Bij de huidige glasvezel internetverbindingen bijvoorbeeld, hanteren de TelCo's al een oversubscription van een factor 100 of meer. Hun uplinks zijn immers beperkt tot maximaal 100Gbps. En geloof mij: die uplinks zijn bij lange na geen 100G).

[Lapjespoes]

Je stelling over massa is fundamenteel verkeerd, de massa van een foton is altijd nul. Altijd. Fotonen hebben geen massa, ook niet relativistisch. Ze hebben energie.

De energie van een foton wordt bepaald met de volgende formule: E = hf. Hieruit blijkt dat massa geen rol speelt - immers is deze 0, maar met de formule E = mc² kom je dan niet uit. Die formule is dan ook incorrect - eigenlijk incompleet. De volledige formule is E² = (mc²)² + (pc)².

[The Jester]

Ook goedemorgen!
Dit is out of my league. Dank voor de vingerwijzing!
Ik het het even nagezocht en kom tot de conclusie dat ik een betere netwerkspecialist ben, dan een natuurkundige.

Jammer dat ik je niet mag modden, maar bij deze een +3 van mij

[bammette]

Ik wil even bevestigen dat lapjespoes het aan het rechte eind heeft en de post van "The Jester" niet geheel klopt. E = mc² geeft slechts de rustenergie van een deeltje. Bij een foton is deze term 0, omdat de rustmassa 0 is. De relativistische massa wordt normaal gegeven door m_rel=γm₀. Echter, deze term is niet gedefinieerd wanneer de rustmassa 0 is. Eigenlijk is het foton dus een soort speciaal geval waarbij deze formule niet geldt. Sowieso is relativistische massa een enigszins omstreden onderwerp en mag je er vanuit gaan dat als iemand massa zegt hij rustmassa bedoelt. Met de formule van Lapjespoes kom je wel gewoon op de juiste energie uit E² = (mc²)² + (pc)². Voor een foton wordt dit E² = (pc)² -> E=pc =hc/λ=hf.

[Aham brahmasmi]

Licht heeft energie en impuls, maar geen massa. E² = p² + (mc²)²

[Rudie_V]

Heeft men eigenlijk al werkende componenten van een chip, bijvoorbeeld een AND or NOT gate (of equivalent daarvan)? Of zijn er al werkende (simpele) chips?

Hoe zit het met geheugen, de fotonische varianten van registers of SRAM of DRAM?

[MeMoRy]

Er zijn zeker al werkende chips, kijk maar op de website van de universiteit Eindhoven bij de fotonica afdeling. Maar voor zover ik weet is dat allemaal nog in de onderzoeksfase. De enige elektro-optische chips die commercieel grootschalig worden ingezet zijn zaken als laserdiodes en degelijke. Geen schakelende componenten.
Fotonica heeft wel schakelende componenten als AND en OR poorten, maar het is eigenlijk best inefficiënt om op die 'traditionele' manier te bouwen. Met het nieuwe domein (licht) krijg je ineens een heel nieuwe blokkendoos ter beschikking. Zo kan je veel complexere functies met één blok realiseren. Denk aan een (frequentie) filter dat met één oscillatiering te maken is. Kortom: fotonica is een nieuw specialisme, waar een nieuwe manier van denken voor nodig is.

[Katanatje]

Er bestaan wel zeker werkende chips gebaseerd op geintegreerde fotonica die vandaag commercieel verkocht worden! Denk aan bedrijven zoals Luxtera (onlangs overgekocht door Cisco), Acacia, Juniper Networks, enzovoorts, die transcievers maken die gebaseerd zijn op geintegreerde fotonica. Dat zijn producten die vandaag verkocht worden, dus zeker niet meer beperkt tot enkel onderzoek! Intel is n ander voorbeeldje met hun 100G transiever. Geleidelijk aan gaan we van telecom naar datacenter naar intra-datacenter, tot op de chip (bvb Ayar Labs). In al de voorbeelden is het voornamelijk het transport van informatie wat de bottleneck vormt en waar fotonica de oplossing biedt.

Ook in de biomedische sector zijn er reeds producten (bvb genalyte).

Naast Nederland vind ik het ook wel vermeldenswaardig dat in Belgie er ook heel veel onderzoek gedaan wordt, met de onderzoeksgroep fotonica en imec in een heel sterke positie wereldwijd. Er zijn intussen 6 spin-offs van de fotonica groep die met licht commerciele toepassingen hebben gevonden (de meesten gerelateerd aan integrated photonics). (waarvan ik ook tot een van de spin-offs behoor, Luceda Photonics)

AND/NOT gates zijn in theorie mogelijk, maar zoals hierboven/hieronder aangegeven op dit moment niet de beste manier om fotonica te gebruiken. Bijvoorbeeld HPe heeft hier onderzoek naar gedaan: https://www.labs.hpe.com/next-next/light.

[Reactie gewijzigd door Katanatje op 22 juli 2024 20:27]

[rjmno1]

Het is een theorie die volgens mij nog nooit in de praktijk is waargemaakt.
Bovendien zijn sram en dram elektronische componenten en volgens mij heb je er niks aan deze in te zetten op een processor met moederbord die op licht snelheid gaat.Het zou alleen maar een botleneck zijn en dus een vertraging.Het is wel een leuke theorie die men in de praktijk kan gaan waarmaken.Als het uberhoubt technisch mogelijk is.

[Reactie gewijzigd door rjmno1 op 22 juli 2024 20:27]

[Rudie_V]

Daarom zeg ik ook:

de fotonische varianten van registers of SRAM of DRAM

Ik weet al wel dat er experimenten zijn geweest om fotonen zeer te vertragen en zelfs te stoppen en dat dit gelukt is, al weet ik niet of fotonisch geheugen op zo'n manier werkt of dat er andere oplossingen zijn.
https://www.newscientist....a-record-breaking-minute/

[rjmno1]

Verkeerd gelezen of over het hoofd gezien ik wist niet dat ze al bestonden.De vooruitgang van de techniek gaat de laatste tijd met lichtsnelheid.
@memory fotonica heeft er zeker mee te maken basisch principe waar ze de laatste jaren mee bezig zijn.

[Reactie gewijzigd door rjmno1 op 22 juli 2024 20:27]

[WillySis]

Voor zover ik weet zijn die er nog niet. Wat je zelf al aangeeft, is het lastig om fotonen te stoppen.
Traditioneel geheugen in de vorm van SRAM of DRAM kan echter nog steeds gebruikt worden. Het wordt wel een bottleneck, dus zal men grote buffers moeten gebruiken waarin men fotonen hen en weer kaatst of rond laat draaien. Om de bottleneck te verkleinen kan men gewoon hele grote arrays van SRAM of DRAM maken.

[mad_max234]

Je moet naar de wiskundige berekening kijken en dan maakt het niks uit wat je gebruikt, relay, delayline(photon), delayline(electron), transistors, knikkers, klokwerk, etc. Allemaal bruikbaar om berekeningen mee te maken. De vraag is of het economisch toepasbaar is.

Delayline is in principe al geheugen, als je het kan uitlezen voordat het zijn waarde verliest heb je volatile memory, delaylines werden in verleden vaker gebruikt als geheugen, dan wel de elektronische variant, bijv. voor de Saturn raket gebruikte ze delayline geheugen.

[Ras]

Ik heb in 2009 al eens een verdediging bijgewoond van een afstudeeronderzoek over het succesvol vangen van licht in microtubili. Door het vangen van licht kon een status onthouden worden. Geen idee hoe dit schaald naar RAM geheugen.

[Henrikop]

Heel mooi stuk waar ik weer nieuwe inzichten in heb opgedaan.
Wat zijn nu de nadelen van fotonica? Wordt fotonica de grote vervanger in computers?

Wat is de roadmap? Welke onzekerheden zitten daar in?

Klinkt in ieder geval logisch en geweldig. Licht verplaats je nu eenmaal gemakkelijker dan elektronen :-) Voorheen was het "bits verplaats je nu eenmaal makkelijker dan atomen".

[mr32]

Wat zijn nu de nadelen van fotonica?

Dit is nogal technologie afhankelijk. InP heeft het grote voordeel dat er actieve componenten in gemaakt kunnen worden. Het laser principe werkt erg goed in dit materiaal en dat is nuttig voor het maken van lasers (duh) maar ook versterkers en modulatoren. Helaas heeft InP een relatief grote verzwakking per centimeter golfgeleider, waardoor die versterkers ook nodig zijn. Silicium optica heeft daar minder last van (maar heeft dan weer geen actieve componenten).

Daarnaast is de technologie nog erg nieuw. Het is vooralsnog lastig om chips in grote oplagen te maken met kleine foutmarges, waardoor de ene chip veel beter werkt dan de andere. Zeker met hoge complexiteit wordt dit een uitdaging. Vandaar dat Amerikaanse bedrijven inzetten op Silicium chips, omdat daar de al goed werkende CMOS productie voor gebruikt kan worden.

Wordt fotonica de grote vervanger in computers?

Geen idee. Op dit moment bestaan er nog geen goede geheugen elementen in optica. Het is mogelijk om licht beperkt vast te houden (microring resonatoren), en er bestaan chips die optische labels kunnen detecteren en daarop kunnen reageren, maar dat gaat niet verder dan twee bitjes. Een optische processor zoals we die nu kennen, met registers om informatie in op te slaan, zullen voorlopig niet bestaan. Maar wie weet....

Optische communicatie blijft het grootste voordeel. Datacenters worden al genoemd, en er bestaan al diverse voorbeelden van interconnects die gebaseerd zijn op geïntegreerde technologieën. Met verdere ontwikkeling zullen snelheden van meer dan 1Tb/s een schijntje worden. Het switchen van deze signalen zal lastiger zijn, al wordt daar volop onderzoek naar gedaan. Niet alle electronische switches zullen vervangen kunnen worden, maar er is al veel mogelijk.

Interessant is misschien wel dat er ontwikkelingen zijn om optische processor te gebruiken voor specifieke signaal processoren. Licht is bijvoorbeeld prima geschikt om bijvoorbeeld FFT mee te berekenen of misschien zelfs neurale netwerken mee te versnellen.

[Reactie gewijzigd door mr32 op 22 juli 2024 20:27]

[MeMoRy]

Ik heb dus bij mijn vorige baan gekeken naar specifiek een FFT met licht berekenen, om zo een convolutie c.q. correlatie te berekenen. Maar dat is dus helemaal niet zo gemakkelijk. Zeker vermenigvuldigen in het licht domein is nogal een uitdaging.
Ook: als je dan een 'FFT' wil doen (door middel van difractie, want ik neem aan dat je daarop doelt: hoe krijg je je data in eerste instantie in elke frequentieband?
Ofwel, zelfs schijnbaar simpele berekeningen zijn een uitdaging.

[Reactie gewijzigd door MeMoRy op 22 juli 2024 20:27]

[Duci]

Als men dit op termijn kan toepassen in normale laptops hebben we dus supersnelle laptops zonder koeling. Dat zou ze weer kleiner maken, en daarnaast is het natuurlijk altijd fijner om een hele stille laptop zonder fan te hebben.

[MeMoRy]

Als dit op termijn wordt toegepast in laptops, dan moet je in het begin vooral denken aan de communicatiebussen, als toekomstige generaties PCIe, Displaypoort, USB. Fotonische processor heeft nog lang geen voordeel, want je RAM zal de botleneck zijn. Zelfs een cache realiseren op een fotonische chip is zeer inefficiënt.

[Sissors]

Als dat kan ja. Op zijn minst ligt dat nog decennia in de toekomst, en persoonlijk geloof ik er niet in. Uiteraard, mogelijk zit ik er wel naast. Maar het aantal haken en ogen aan optische processoren is echt nog gigantisch. Er zijn een hoop fundamentele problemen om te doorbreken. Ik zie het wel gebruikt gaan worden als vervanger van bijvoorbeeld PCIe, waarbij bijvoorbeeld al een optische chip in de CPU package wordt geintegreerd hiervoor. En misschien zelfs voor interconnects tussen verschillende cores/chiplets. Maar echt een optische processor die de huidige processoren gaat vervangen? Ik geloof er niet in.

Nu volg ik het nieuws slechts gedeeltelijk op optisch gebied, maar zover mij bekend werken alle optische transistoren nog steeds met resonantie principes. Daarbij zit je gelimiteerd aan de golflengte van licht, en bij praktisch opwekbare golflengtes (infrarood enzo) is dat heel veel groter dan elektronische transistoren. Daar komt nog bovenop dat één van de populairdere methodes om ze in en uit te schakelen is door de transistor te verwarmen. Dat een beetje verwarming ervoor zorgt dat de transistor niet meer werkt is natuurlijk al een teken hoe gigantisch gevoelig ze zijn, maar het zal ook niet de meest energiezuinige methode zijn. (Uiteraard, elke transistor is nog steeds miniem, en de benodigde energie om eentje op te warmen is beperkt. Tegelijk is de benodigde energie om één elektrische transistor in/uit te schakelen nog heel veel minder. Het probleem is als je er miljarden van op één chip zet).

[Nacht]

Je conclusie is juist het gaat nog jaren en jaren duren aangezien er theoretisch nog geen vervangers zijn voor alle componeneten van een CPU laat staan praktisch bruikbaar en produceerbaar. En zoals aangegeven een combinatie van elektronen en fotonen aan schalingsproblematiek onderhevig is.

[JT]

Ook zuiniger door veel lagere verliezen en dus langere accuduur

[SiGNe]

De RGB hype gaat wel erg ver

[MeMoRy]

Hoewel je met fotonica wel de ultieme RGB kan creëren. Wikipedia maar eens op supercontinuum.

[DeerDitch]

Thanks!
Mijn dag is begonnen met een lach!!

[BenVenNL]

+1 voor humor.

[janbaarda]

Hopelijk verkwanselen we dit niet aan een groot monopolistisch bedrijf. Laten we dit mooi in de EU houden.

[armageddon_2k1]

ASML is een groot monopolistisch bedrijf? Daar mogen we best blij mee zijn hier in NL dacht ik zo.

[janbaarda]

Je begrijpt vast wel dat ik dit niet zo bedoel. Veel van onze veelbelovende start-ups zijn opgekocht door Apple, Alphabet, enz. Onze knapste koppen gaan voor grof geld de hier opgedane kennis in de USA toepassen, waarbij daar de patenten verkregen worden.

Patenten worden door USA bedrijven uitgemolken o.a. door (te) lange looptijden voor IP.

[Cynosure]

Deze technologie en de productie ervan in NL houden? Zou mooi zijn, maar wie profiteert er dan van? Niet wij als NL... Misschien zou je de winsten dan ook moeten delen binnen NL? Om productie en voordeel voor NL eruit te halen?

Ik denk dat de transitie naar een land waar de operationele kosten lager liggen voor de investeerders/bestuurders veel interessanter is. Lager kosten lagere loonkosten lagere energiekosten minder belastingdruk etc. Dus niet in NL maar wel ergens in EU.

[MSalters]

De kans is 0% dat wij alle benodigde technologie in Nederland uitvinden. Voor een commercieel product zul je een heleboel technologie samen moeten voegen, en dan heb je niets aan zo'n eiland-mentaliteit.

[GCT-Zen]

Machtig mooi stuk in een teug uitgelezen

[BenVenNL]

Wauw. Dit geeft een mens weer hoop.

Want inderdaad, huidige chiptechnologie brengt wel een boel gemak maar het onderbuik gevoel is altijd aanwezig dat het nog niet voldoende is. Terwijl we wel al tegen de grenzen van de technologie aan zitten.

Leuk voor mediaconsumptie en als krachtig rekenhulpmiddel. Maar voor echte wereld verbeterende toepassingen (bovenmenselijke capaciteiten) is toch een stuk meer nodig dan nu. Jammer dat wij er misschien pas over 20 jaar echt iets van gaan merken in ons dagelijks leven.

[Squee]

Mooi dat er zo'n samenwerking is in Nederland om dat kennisgebied te versterken. Ik ben vooral benieuwd waar het naar toe gaat met bijna alles in licht doen, dus naast communicatie ook computatie, want licht en elektronica combineren binnen een enkele chip blijft nog steeds erg lastig zover ik weet. Er was lange tijd het idee dat on-chip netwerken en communicatie ook vervangen zou kunnen worden door lichtpaden. Licht heeft geen weerstand probleem en geen repeaters nodig als je een langere afstand op een chip wilt overbruggen. Bijvoorbeeld in het on-chip netwerk om alle cores met de last-level caches en memory controllers te verbinden. De laatste keer dat ik daar een gedetailleerd praatje over hoorde was het zo dat er wel testchips zijn gemaakt die iets dergelijks doen, maar dat het punt waar je van het elektrische domein naar het fotonische gaat je een probleem hebt. De modulators en resonators om licht te versturen/ontvangen moeten op een bepaalde constante temperatuur gehouden worden omdat ze anders niet meer exact op de juiste golflengte reageren. Op een grote silicium chip waar alle elektronica hitte produceert wanneer het actief is, maakt dat heel, heel erg lastig. Dat zie ik dus niet zo snel meer gebeuren, maar ik kijk uit naar het moment dat iemand laat zien dat het wel op een goeie manier mogelijk is

HP labs (voor de splitsing) is ook al heel erg lang bezig geweest met fotonica, ook in het verleden hadden ze het veel over fotonische network-on-chip oplossingen voor many-core processoren en directe integratie van fotonica voor communicatie tussen systemen. Zo te zien is het deel wat nu HPE labs is ook nog bezig met fotonica, maar meer op het gebied van berekeningen, waar ik ook eigenlijk meer van zal verwachten. Wel grappig dat de hoofdonderzoeker daar de toepasselijke naam "Ray Beausoleil" heet - je zou toch bijna denken dat dat een pseudoniem moet zijn!