ČÍNA - TECHNOLOGICKÝ POKROK
Napísané: So 13 07, 2024 8:13 pm
Dávam preklad článku z ktorého na mňa idú zimomriavky. Píše sa v ňom o technologickom pokroku v Číne v oblasti čípov novej generácie.
Ak by sa to podarilo Číňanom, dominancia USA by bola ohrozená.
Článok v angličtine aj s fact check odkazmi:
https://jamestown.org/program/illuminat ... roduction/
Svetlo budúcnosti: Vývoj výroby fotonických mikročipov v ČĽR
V júni bola v Šanghajskom centre pre integrovanú fotoniku (CHIPX) Univerzity Jiao Tong spustená prvá pilotná výrobná linka pre fotonické mikročipy v Čínskej ľudovej republike (ČĽR), keďže krajina skúma nové prístupy k návrhu čipov.
ČĽR vidí vo fotonických čipoch potenciál, ktorý môže byť základom mnohých technologických riešení a ponúka vynikajúcu rýchlosť, energetickú účinnosť, škálovateľnosť a vyššiu šírku pásma, čím otvára cestu budúcemu technologickému pokroku.
Si Ťin-pching, ako vyplýva zo 14. päťročného plánu ČĽR a ďalších národných stratégií, kladie dôraz na fotoniku, čo vedie k značným investíciám zameraným na zníženie závislosti od zahraničných polovodičových technológií a dosiahnutie vedúceho postavenia na svetovom trhu.
Cieľom pokroku ČĽR dosiahnutého akademickými inštitútmi a spoločnosťou Huawei v oblasti fotonických technológií je revolúcia v štáte a armáde s čipmi, ktoré sú potenciálne 1000-krát rýchlejšie ako ich elektronické náprotivky. Tento vývoj má významné dôsledky pre národnú bezpečnosť a môže zmeniť technologickú súťaž medzi USA a Čínou a politiku kontroly vývozu. Situáciu je potrebné pozorne sledovať.
Koncom júna Čínska ľudová republika (ČĽR) zaznamenala technologický míľnik spustením svojej prvej pilotnej výrobnej linky na výrobu fotonických mikročipov. Cieľom nového zariadenia, ktoré zriadila Šanghajská univerzita Jiao Tong Chip Hub for Integrated Photonics Xplore (CHIPX), je urýchliť vývoj a aplikáciu fotonických technológií v ČĽR (Xinhua, 11. júna).
Cieľom pilotnej výrobnej linky, na ktorej bola začiatkom januára nainštalovaná prvá várka zariadení, je uskutočniť "prelom v kritických kľúčových technológiách optoelektronických informácií". Táto výrobná linka sa zameriava predovšetkým na pokrok v oblasti informačných technológií novej generácie a ich priemyselných aplikácií. Medzi kľúčové vyvíjané technológie patria kvantové počítače, fotonické procesory, trojrozmerné optické prepojovacie čipy a vysoko presné femtosekundové laserové stroje na priamy zápis (ktoré sa používajú pri výrobe čipov) (Sina, 17. júna).
Táto iniciatíva je súčasťou širšieho cieľa využitia fotonických technológií, ktoré by sa mohli ukázať ako dôležité pre rozvoj technologickej nezávislosti ČĽR a oslabenie súčasných snáh USA obmedziť rozvoj odvetvia čipov v ČĽR.
Fotonika: revolúcia v oblasti čipov, kvantových výpočtov a telekomunikácií
Technológia fotoniky využíva fotóny - častice svetla - na prenos, spracovanie a manipuláciu s informáciami. Fotonické výpočty, podoblasť fotoniky, zahŕňajú návrh optoelektronických obvodov - čipov, ktoré využívajú fotóny namiesto elektrónov na dosiahnutie vysokorýchlostného a vysokokapacitného prenosu dát. Ak sa výroba týchto čipov rozšíri, znížia sa náklady a bude ich možné integrovať do elektronických systémov, potom by fotonické čipy mohli byť základom pre spracovanie informácií a komunikáciu v budúcnosti, najmä keď sa tradičné elektronické čipy priblížia k svojim fyzikálnym a prevádzkovým limitom (Synopsys, posledný prístup 30. júna).
Fotonické čipy majú oproti elektronickým niekoľko výhod. Stručne povedané, môžu byť rýchlejšie, menšie, energeticky úspornejšie, škálovateľnejšie, schopné zvládnuť oveľa väčšiu šírku pásma a schopné prenášať údaje spoľahlivejšie a s nižším oneskorením (Nature, 23. decembra 2015). Niektorí odborníci naznačili, že fotonické čipy potenciálne ponúkajú 1 000-násobné zlepšenie výpočtovej rýchlosti v porovnaní so súčasnými čipmi na báze kremíka (Sohu, 13. apríla).
Vďaka tomu všetkému sú vhodné pre scenáre s vysokou šírkou pásma a nízkou latenciou, napríklad v dátových centrách, telekomunikáciách, vysokofrekvenčnom obchodovaní a analýze údajov v reálnom čase.
Ešte v roku 2020 Nick Harris, generálny riaditeľ popredného amerického startupu v oblasti fotoniky s názvom Lightmatter, tvrdil, že čipy jeho firmy by mohli znížiť spotrebu energie dátových centier umelej inteligencie 20-násobne a zmenšiť fyzickú plochu čipov päťnásobne v porovnaní so súčasnými technológiami. Spoločnosť tiež tvrdila, že ich čipy prekonajú vtedajší vedúci čip spoločnosti Nvidia A100 v energetickej účinnosti aj priepustnosti (EE Times, 24. augusta 2020; pozri tiež Semianalysis, 22. augusta 2022).
Fotonika je stále rozvíjajúcou sa oblasťou, ale fotonické technológie sa už integrujú do existujúcich technológií a globálne spoločnosti už do nich aj investujú (Nikkei Asia, 29. januára). Napríklad Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) zostavila tím približne 200 výskumníkov zameraných na ultravysokorýchlostné kremíkové fotonické čipy a spolupracuje s firmami Broadcom a Nvidia, pričom výroba by sa mala začať koncom roka 2024. Viceprezident spoločnosti TSMC pre systémovú integráciu Yu Zhenhua (余振華) tvrdí, že tieto čipy by mohli riešiť kritické otázky energetickej účinnosti a výpočtového výkonu v aplikáciách umelej inteligencie, čím by sa potenciálne zvýšil výpočtový výkon pre veľké jazykové modely (LLM) (Baidu, 17. septembra 2023). IBM, Google a Intel medzitým investujú do fotonických kvantových počítačov.
Fotonika na báze kremíka napríklad integruje fotonické a elektronické komponenty na jeden kremíkový čip s využitím vyspelých polovodičových procesov CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) (China Energy News, 3. júna). To umožňuje vývoj fotonických zariadení s vysokou hustotou, nízkou cenou a energetickou účinnosťou (163, 29. februára). Mikrovlnná fotonika medzitým využíva optické komponenty na spracovanie a výpočet analógových elektronických signálov s vyššou rýchlosťou a energetickou účinnosťou ako tradičné elektronické procesory a mohla by výrazne zlepšiť telekomunikačné systémy, bezdrôtové komunikačné systémy, radarové systémy s vysokým rozlíšením, umelú inteligenciu, počítačové videnie a spracovanie obrazu a videa (Nature, 28. februára).
Fotonika zohráva čoraz väčšiu úlohu v kvantovej informatike. Niektoré kvantové počítače v súčasnosti používajú fotóny na reprezentáciu kvantových bitov (tzv. qubitov - základných jednotiek kvantovej informácie). Ponúka to podobné výhody rýchlosti, škálovateľnosti a energetickej účinnosti ako kvantové spracovanie informácií na báze elektrónov, ktoré sa vyskytujú v iných aplikáciách fotoniky (Baijiahao, 11. júna).
Fotonické kvantové počítače ako také môžu fungovať pri izbovej teplote, na rozdiel od supravodivých qubitov, ktoré vyžadujú extrémne nízke teploty. Vďaka tomu sú praktickejšie a potenciálne dostupnejšie (Zhihu, 24. novembra 2023). Jin Xianmin (金贤敏), zakladateľ popredného čínskeho kvantového počítačového startupu TuringQ (图灵量子), tvrdí, že fotonické kvantové počítače spĺňajú základné kritériá na vývoj univerzálnych kvantových počítačov (Wenwui, 17. júna; TuringQ, prístup 2. júla).
Xi, PLA, vláda sa zameriavajú na fotoniku
Prinajmenšom od roku 2015 ČĽR začlenila svoj záväzok rozvíjať fotonické technológie do svojej národnej stratégie. V tom roku zvolalo Ministerstvo vedy a techniky (MOST) do Pekingu odborníkov, aby zhodnotili projekt "Photonics Integration Technology and System Applications (光子集成技术与系统应用)". Na projekte, ktorý viedol Inštitút polovodičov Čínskej akadémie vied, sa podieľali významné inštitúcie, ako sú Zhejiang University, Peking University a Nanjing University. Dosiahli sa v ňom prelomové výsledky pri navrhovaní, balení a testovaní fotonických vlnovodov s vysokou hustotou na báze kremíka - komponentov, ktoré usmerňujú svetelné signály s minimálnymi stratami, čo umožňuje vysokorýchlostný a vysokokapacitný prenos dát (MOST, 20. októbra 2015).
V 14. päťročnom pláne sa v časti o posilnení sily strategických technológií krajiny uvádza fotonika v zozname technológií, pre ktoré by sa mali vybudovať národné laboratóriá (Štátna rada, 13. marca 2021). MOST tiež zaviedol projekt "Informačná fotonická technológia (信息光子技术)", ktorého cieľom je posilniť výskum a vývoj (VaV) v tejto oblasti (SKL-PET, 11. mája 2021). Národná prírodovedná nadácia (National Natural Science Foundation) tiež financovala niekoľko projektov v oblasti počiatočnej fotoniky, zatiaľ čo MOST ju zaradil do svojich vlastných plánov výskumu a vývoja (NSFC, 26. novembra 2020; OE Journal, 30. novembra 2023).
Si Ťin-pching osobne poskytol svoje imprimatur fotonickému priemyslu. Počas inšpekcie poprednej fotonickej spoločnosti v roku 2022 Si Ťin-pching poznamenal, že fotonicko-elektronický priemysel "je široko aplikovaným strategickým high-tech odvetvím a je to tiež high-tech odvetvie, v ktorom má naša krajina podmienky na dosiahnutie prelomových výsledkov pred ostatnými". [2]
Oficiálne poverenie ČĽR zamerať sa na fotoniku má štyri aspekty. Po prvé, ČĽR uznáva, že tradičné integrované obvody dosahujú svoje fyzikálne limity a že problémy s nimi spojené - ako napríklad zvýšená produkcia tepla, spotreba energie a rušenie signálov - sú čoraz výraznejšie.
ČĽR dúfa, že včasným zameraním sa na fotonické čipy získa výhody tým, že poskytne novú generáciu čipov (China Energy News, 3. júna).
Po druhé, ČĽR považuje fotoniku za prostriedok na preskočenie svojich konkurentov v celosvetových pretekoch v oblasti polovodičov, ktorým v minulosti dominovali západné krajiny. Veľkými investíciami do výskumu a vývoja chce krajina prekonať svoje nedostatky a znížiť závislosť od zahraničných polovodičových technológií. Sui Jun (隋军), prezident spoločnosti SinTone (中科鑫通), tvrdí, že výroba fotonických čipov umožňuje ČĽR inovovať bez toho, aby sa musela spoliehať na extrémne ultrafialovú (EUV) litografiu, najpokročilejší strojový nástroj na výrobu čipov, ktorý ČĽR nedokáže vyrábať a v súčasnosti ho nemôže dovážať (ChinaAET, 12. decembra 2022).
Po tretie, schopnosť efektívne spracovať a analyzovať obrovské množstvo údajov v rýchlosti je čoraz dôležitejšia, pretože množstvo údajov exponenciálne rastie (MIT Technology Review China, 23. novembra 2020). Fotonická technológia sa preto považuje za základ budúcich informačných technológií, pretože môže podporovať rozsiahle dátové centrá, vysokorýchlostné komunikačné siete a pokročilé aplikácie umelej inteligencie - to všetko, ako sa dúfa, oživí hospodársky rast ČĽR a posilní jej vedúce postavenie v oblasti technológií.
Napokon, odborníci v rámci Ľudovej oslobodzovacej armády (PLA) tiež skúmajú potenciálne aplikácie fotonických technológií, najmä v oblasti mikrovlnnej fotoniky. Podľa výskumníkov z Inštitútu elektronických zariadení v Nanjingu a Druhého vojenského zastupiteľského úradu oddelenia pre vybavenie vzdušných síl v Nanjingu sa mikrovlnná fotonika považuje za prevratnú technológiu, ktorá môže vyriešiť mnohé z elektronických prekážok, ktorým v súčasnosti čelia mikrovlnné radarové zariadenia. Uznávajú, že mikrovlnná fotonická technológia má obrovský potenciál pre aplikácie v radaroch, satelitnej komunikácii, širokopásmových bezdrôtových prístupových sieťach a integrovaných systémoch vesmír-vzduch, čo sľubuje, že zásadne ovplyvní pokrok moderných informačných technológií.
Prelomové výsledky výskumu v ČĽR
Výskumníci z ČĽR v posledných rokoch oznámili prelomové objavy, ktoré pozorovateľom na Západe často unikali.
Jedným z významných príkladov je vývoj fotonického čipu Taiji (太极光芯片) na univerzite Tsinghua, ktorý údajne prekonáva súčasné inteligentné čipy o dva až tri rády (Baijiahao, 12. apríla). Tento čip je rámcovaný ako mimoriadne užitočný pre komplexné úlohy, ako je analýza rozsiahlych obrázkov, podpora tréningu a odvodzovania LLM a prevádzka autonómnych inteligentných systémov s nízkou spotrebou energie. Inými slovami, táto technológia sa dá použiť na komplexné klasifikačné úlohy a obsah vytváraný umelou inteligenciou.
Spoločnosť Huawei robí pokroky aj v oblasti fotoniky. Spoločnosť napríklad v roku 2021 podala patent na "fotonický čip, spôsob jeho prípravy a jeho komunikačné zariadenie (光芯片及其制备方法、通信设备)" (Baijiahao, 13. marca). Na globálnom analytickom summite spoločnosti Huawei v roku 2021 Xu Wenwei (徐文伟), prezident strategického výskumného inštitútu spoločnosti Huawei, predpovedal, že dopyt po výpočtovom výkone sa do roku 2030 zvýši 100-násobne, čo povedie k veľkým investíciám spoločnosti Huawei do výskumu v oblasti fotonických počítačov (Youtube/Huawei, 12. apríla 2021).
Ďalší pokrok pochádza od tímu pod vedením profesora Wanga Chenga (王騁) na Mestskej univerzite v Hongkongu, ktorý tiež vyvinul niečo, čo označuje ako "špičkový mikrovlnný fotonický čip". Tento čip využíva optické komponenty na spracovanie a výpočet analógových elektronických signálov rýchlosťou 1 000-krát vyššou ako tradičné elektronické procesory pri nižšej spotrebe energie a je určený na použitie v širokej škále aplikácií (CityU, 29. februára). Tím profesora Wanga prekonal výzvy spojené s integráciou fotoniky s elektronickými systémami tým, že vyvinul čip s modulmi ultrarýchlej elektrooptickej konverzie, pričom použil umelý kryštál známy ako niobát lítny.
Niobát lítny (LiNbO3) sa často označuje ako "kremík fotoniky" a čoraz častejšie sa používa vo fotonických aplikáciách (Springer, 1. januára 2012). Platformy niobátu lítia na izolátore (LNOI), ktoré boli pôvodne vyvinuté v rámci spolupráce medzi Harvardovou univerzitou, laboratóriami Nokia Bell Labs a výskumníkmi z ČĽR ešte v roku 2018, vydláždili cestu pre vysoko výkonné fotonické zariadenia (Nature, 18. apríla 2018).
Vlastnosti tohto materiálu ho robia vhodným na tieto účely a zariadenia LNOI získali 99 % trhu s vysokorýchlostnou moduláciou (CHIPX, posledný prístup 30. júna; IOPTEE, posledný prístup 30. júna). Problémy však pretrvávajú.
Odborníci z ČĽR tvrdia, že fotonickým materiálom, ako je tenkovrstvový niobát lítny, chýbajú štandardizované techniky spracovania, čo brzdí vývoj súvisiacich zariadení a čipov. Fotonické zariadenia sú veľmi citlivé na teplotu a výrobné chyby, čo si vyžaduje vysoko presné technológie detekcie a opravy v reálnom čase pre rozsiahlu integráciu (NSFC, 17. januára 2023). Zahraniční odborníci sa medzitým zamerali na kľúčové prekážky, ako sú straty energie z pasívnych komponentov, oneskorovacích liniek, prepínačov a prepojení čipov, ktoré bránia výkonu integrovaných fotonických obvodov (Nano Material Science, 11. apríla).
Na plné využitie výhod fotoniky, ako je vysoká rýchlosť, veľká šírka pásma a nízka spotreba energie, je nevyhnutný vývoj súčiastok novej generácie s ultranízkymi stratami s využitím multimódovej vlnovodnej technológie a materiálov, ako je kremík alebo nitrid kremíka (Nano Material Science, 11. apríla). To zahŕňa prekonanie úzkych miest súvisiacich so šírkou pásma, šumom, stratami, citlivosťou a rozšírením operačných vlnových dĺžok. Jedným z kritických komponentov sú integrované čipy s vysokou hustotou prijímačov pre optickú komunikáciu, ktoré sú schopné zvýšiť počet paralelných kanálov a prelomiť limity prenosovej kapacity. Túto výzvu ilustruje kremíkový fotonický komunikačný čip spoločnosti Intel s rýchlosťou 1,6 TB/s a 8 vlnovými dĺžkami multiplexu. Laserové a modulátorové komponenty zaberajú väčšinu plochy čipu, čo naznačuje, že súčasné rozmery a úrovne integrácie sú nedostatočné pre budúce potreby ultravysokých kapacít (Intel, 28. júna 2022).
Záver
Spustenie prvej linky na výrobu fotonických čipov v ČĽR je významné. Bude hnacím motorom inovácií v oblasti kvantových počítačov, fotonických procesorov a pokročilých komunikačných technológií. Strategické štátne investície do fotoniky, ako sa zdôrazňuje v 14. päťročnom pláne a ďalších schváleniach na vysokej úrovni, pomáhajú ČĽR dostať sa na popredné miesto v tejto kľúčovej technológii, ako aj pomôcť jej obísť technologické kontroly USA.
Uvidíme, či ČĽR dokáže svoje údajné prelomové výsledky výskumu premeniť na rozšíriteľnú výrobu zariadení založených na tejto novej technológii. V súčasnosti žiadna krajina nie je schopná využiť túto technológiu na masovú výrobu nad rámec overenia konceptu a obmedzených prototypov (Nature, 8. mája). Napriek tomu sa ČĽR snaží byť lídrom v tomto novovznikajúcom odvetví, pričom načrtla cestu a zhromaždila potrebné zdroje. Vzhľadom na potenciálne prínosy, ktoré fotonika predstavuje pre celý rad technológií s dosahom na národnú bezpečnosť, je nevyhnutné, aby sa budúci vývoj pozorne sledoval.
Ak by sa to podarilo Číňanom, dominancia USA by bola ohrozená.
Článok v angličtine aj s fact check odkazmi:
https://jamestown.org/program/illuminat ... roduction/
Svetlo budúcnosti: Vývoj výroby fotonických mikročipov v ČĽR
V júni bola v Šanghajskom centre pre integrovanú fotoniku (CHIPX) Univerzity Jiao Tong spustená prvá pilotná výrobná linka pre fotonické mikročipy v Čínskej ľudovej republike (ČĽR), keďže krajina skúma nové prístupy k návrhu čipov.
ČĽR vidí vo fotonických čipoch potenciál, ktorý môže byť základom mnohých technologických riešení a ponúka vynikajúcu rýchlosť, energetickú účinnosť, škálovateľnosť a vyššiu šírku pásma, čím otvára cestu budúcemu technologickému pokroku.
Si Ťin-pching, ako vyplýva zo 14. päťročného plánu ČĽR a ďalších národných stratégií, kladie dôraz na fotoniku, čo vedie k značným investíciám zameraným na zníženie závislosti od zahraničných polovodičových technológií a dosiahnutie vedúceho postavenia na svetovom trhu.
Cieľom pokroku ČĽR dosiahnutého akademickými inštitútmi a spoločnosťou Huawei v oblasti fotonických technológií je revolúcia v štáte a armáde s čipmi, ktoré sú potenciálne 1000-krát rýchlejšie ako ich elektronické náprotivky. Tento vývoj má významné dôsledky pre národnú bezpečnosť a môže zmeniť technologickú súťaž medzi USA a Čínou a politiku kontroly vývozu. Situáciu je potrebné pozorne sledovať.
Koncom júna Čínska ľudová republika (ČĽR) zaznamenala technologický míľnik spustením svojej prvej pilotnej výrobnej linky na výrobu fotonických mikročipov. Cieľom nového zariadenia, ktoré zriadila Šanghajská univerzita Jiao Tong Chip Hub for Integrated Photonics Xplore (CHIPX), je urýchliť vývoj a aplikáciu fotonických technológií v ČĽR (Xinhua, 11. júna).
Cieľom pilotnej výrobnej linky, na ktorej bola začiatkom januára nainštalovaná prvá várka zariadení, je uskutočniť "prelom v kritických kľúčových technológiách optoelektronických informácií". Táto výrobná linka sa zameriava predovšetkým na pokrok v oblasti informačných technológií novej generácie a ich priemyselných aplikácií. Medzi kľúčové vyvíjané technológie patria kvantové počítače, fotonické procesory, trojrozmerné optické prepojovacie čipy a vysoko presné femtosekundové laserové stroje na priamy zápis (ktoré sa používajú pri výrobe čipov) (Sina, 17. júna).
Táto iniciatíva je súčasťou širšieho cieľa využitia fotonických technológií, ktoré by sa mohli ukázať ako dôležité pre rozvoj technologickej nezávislosti ČĽR a oslabenie súčasných snáh USA obmedziť rozvoj odvetvia čipov v ČĽR.
Fotonika: revolúcia v oblasti čipov, kvantových výpočtov a telekomunikácií
Technológia fotoniky využíva fotóny - častice svetla - na prenos, spracovanie a manipuláciu s informáciami. Fotonické výpočty, podoblasť fotoniky, zahŕňajú návrh optoelektronických obvodov - čipov, ktoré využívajú fotóny namiesto elektrónov na dosiahnutie vysokorýchlostného a vysokokapacitného prenosu dát. Ak sa výroba týchto čipov rozšíri, znížia sa náklady a bude ich možné integrovať do elektronických systémov, potom by fotonické čipy mohli byť základom pre spracovanie informácií a komunikáciu v budúcnosti, najmä keď sa tradičné elektronické čipy priblížia k svojim fyzikálnym a prevádzkovým limitom (Synopsys, posledný prístup 30. júna).
Fotonické čipy majú oproti elektronickým niekoľko výhod. Stručne povedané, môžu byť rýchlejšie, menšie, energeticky úspornejšie, škálovateľnejšie, schopné zvládnuť oveľa väčšiu šírku pásma a schopné prenášať údaje spoľahlivejšie a s nižším oneskorením (Nature, 23. decembra 2015). Niektorí odborníci naznačili, že fotonické čipy potenciálne ponúkajú 1 000-násobné zlepšenie výpočtovej rýchlosti v porovnaní so súčasnými čipmi na báze kremíka (Sohu, 13. apríla).
Vďaka tomu všetkému sú vhodné pre scenáre s vysokou šírkou pásma a nízkou latenciou, napríklad v dátových centrách, telekomunikáciách, vysokofrekvenčnom obchodovaní a analýze údajov v reálnom čase.
Ešte v roku 2020 Nick Harris, generálny riaditeľ popredného amerického startupu v oblasti fotoniky s názvom Lightmatter, tvrdil, že čipy jeho firmy by mohli znížiť spotrebu energie dátových centier umelej inteligencie 20-násobne a zmenšiť fyzickú plochu čipov päťnásobne v porovnaní so súčasnými technológiami. Spoločnosť tiež tvrdila, že ich čipy prekonajú vtedajší vedúci čip spoločnosti Nvidia A100 v energetickej účinnosti aj priepustnosti (EE Times, 24. augusta 2020; pozri tiež Semianalysis, 22. augusta 2022).
Fotonika je stále rozvíjajúcou sa oblasťou, ale fotonické technológie sa už integrujú do existujúcich technológií a globálne spoločnosti už do nich aj investujú (Nikkei Asia, 29. januára). Napríklad Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) zostavila tím približne 200 výskumníkov zameraných na ultravysokorýchlostné kremíkové fotonické čipy a spolupracuje s firmami Broadcom a Nvidia, pričom výroba by sa mala začať koncom roka 2024. Viceprezident spoločnosti TSMC pre systémovú integráciu Yu Zhenhua (余振華) tvrdí, že tieto čipy by mohli riešiť kritické otázky energetickej účinnosti a výpočtového výkonu v aplikáciách umelej inteligencie, čím by sa potenciálne zvýšil výpočtový výkon pre veľké jazykové modely (LLM) (Baidu, 17. septembra 2023). IBM, Google a Intel medzitým investujú do fotonických kvantových počítačov.
Fotonika na báze kremíka napríklad integruje fotonické a elektronické komponenty na jeden kremíkový čip s využitím vyspelých polovodičových procesov CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) (China Energy News, 3. júna). To umožňuje vývoj fotonických zariadení s vysokou hustotou, nízkou cenou a energetickou účinnosťou (163, 29. februára). Mikrovlnná fotonika medzitým využíva optické komponenty na spracovanie a výpočet analógových elektronických signálov s vyššou rýchlosťou a energetickou účinnosťou ako tradičné elektronické procesory a mohla by výrazne zlepšiť telekomunikačné systémy, bezdrôtové komunikačné systémy, radarové systémy s vysokým rozlíšením, umelú inteligenciu, počítačové videnie a spracovanie obrazu a videa (Nature, 28. februára).
Fotonika zohráva čoraz väčšiu úlohu v kvantovej informatike. Niektoré kvantové počítače v súčasnosti používajú fotóny na reprezentáciu kvantových bitov (tzv. qubitov - základných jednotiek kvantovej informácie). Ponúka to podobné výhody rýchlosti, škálovateľnosti a energetickej účinnosti ako kvantové spracovanie informácií na báze elektrónov, ktoré sa vyskytujú v iných aplikáciách fotoniky (Baijiahao, 11. júna).
Fotonické kvantové počítače ako také môžu fungovať pri izbovej teplote, na rozdiel od supravodivých qubitov, ktoré vyžadujú extrémne nízke teploty. Vďaka tomu sú praktickejšie a potenciálne dostupnejšie (Zhihu, 24. novembra 2023). Jin Xianmin (金贤敏), zakladateľ popredného čínskeho kvantového počítačového startupu TuringQ (图灵量子), tvrdí, že fotonické kvantové počítače spĺňajú základné kritériá na vývoj univerzálnych kvantových počítačov (Wenwui, 17. júna; TuringQ, prístup 2. júla).
Xi, PLA, vláda sa zameriavajú na fotoniku
Prinajmenšom od roku 2015 ČĽR začlenila svoj záväzok rozvíjať fotonické technológie do svojej národnej stratégie. V tom roku zvolalo Ministerstvo vedy a techniky (MOST) do Pekingu odborníkov, aby zhodnotili projekt "Photonics Integration Technology and System Applications (光子集成技术与系统应用)". Na projekte, ktorý viedol Inštitút polovodičov Čínskej akadémie vied, sa podieľali významné inštitúcie, ako sú Zhejiang University, Peking University a Nanjing University. Dosiahli sa v ňom prelomové výsledky pri navrhovaní, balení a testovaní fotonických vlnovodov s vysokou hustotou na báze kremíka - komponentov, ktoré usmerňujú svetelné signály s minimálnymi stratami, čo umožňuje vysokorýchlostný a vysokokapacitný prenos dát (MOST, 20. októbra 2015).
V 14. päťročnom pláne sa v časti o posilnení sily strategických technológií krajiny uvádza fotonika v zozname technológií, pre ktoré by sa mali vybudovať národné laboratóriá (Štátna rada, 13. marca 2021). MOST tiež zaviedol projekt "Informačná fotonická technológia (信息光子技术)", ktorého cieľom je posilniť výskum a vývoj (VaV) v tejto oblasti (SKL-PET, 11. mája 2021). Národná prírodovedná nadácia (National Natural Science Foundation) tiež financovala niekoľko projektov v oblasti počiatočnej fotoniky, zatiaľ čo MOST ju zaradil do svojich vlastných plánov výskumu a vývoja (NSFC, 26. novembra 2020; OE Journal, 30. novembra 2023).
Si Ťin-pching osobne poskytol svoje imprimatur fotonickému priemyslu. Počas inšpekcie poprednej fotonickej spoločnosti v roku 2022 Si Ťin-pching poznamenal, že fotonicko-elektronický priemysel "je široko aplikovaným strategickým high-tech odvetvím a je to tiež high-tech odvetvie, v ktorom má naša krajina podmienky na dosiahnutie prelomových výsledkov pred ostatnými". [2]
Oficiálne poverenie ČĽR zamerať sa na fotoniku má štyri aspekty. Po prvé, ČĽR uznáva, že tradičné integrované obvody dosahujú svoje fyzikálne limity a že problémy s nimi spojené - ako napríklad zvýšená produkcia tepla, spotreba energie a rušenie signálov - sú čoraz výraznejšie.
ČĽR dúfa, že včasným zameraním sa na fotonické čipy získa výhody tým, že poskytne novú generáciu čipov (China Energy News, 3. júna).
Po druhé, ČĽR považuje fotoniku za prostriedok na preskočenie svojich konkurentov v celosvetových pretekoch v oblasti polovodičov, ktorým v minulosti dominovali západné krajiny. Veľkými investíciami do výskumu a vývoja chce krajina prekonať svoje nedostatky a znížiť závislosť od zahraničných polovodičových technológií. Sui Jun (隋军), prezident spoločnosti SinTone (中科鑫通), tvrdí, že výroba fotonických čipov umožňuje ČĽR inovovať bez toho, aby sa musela spoliehať na extrémne ultrafialovú (EUV) litografiu, najpokročilejší strojový nástroj na výrobu čipov, ktorý ČĽR nedokáže vyrábať a v súčasnosti ho nemôže dovážať (ChinaAET, 12. decembra 2022).
Po tretie, schopnosť efektívne spracovať a analyzovať obrovské množstvo údajov v rýchlosti je čoraz dôležitejšia, pretože množstvo údajov exponenciálne rastie (MIT Technology Review China, 23. novembra 2020). Fotonická technológia sa preto považuje za základ budúcich informačných technológií, pretože môže podporovať rozsiahle dátové centrá, vysokorýchlostné komunikačné siete a pokročilé aplikácie umelej inteligencie - to všetko, ako sa dúfa, oživí hospodársky rast ČĽR a posilní jej vedúce postavenie v oblasti technológií.
Napokon, odborníci v rámci Ľudovej oslobodzovacej armády (PLA) tiež skúmajú potenciálne aplikácie fotonických technológií, najmä v oblasti mikrovlnnej fotoniky. Podľa výskumníkov z Inštitútu elektronických zariadení v Nanjingu a Druhého vojenského zastupiteľského úradu oddelenia pre vybavenie vzdušných síl v Nanjingu sa mikrovlnná fotonika považuje za prevratnú technológiu, ktorá môže vyriešiť mnohé z elektronických prekážok, ktorým v súčasnosti čelia mikrovlnné radarové zariadenia. Uznávajú, že mikrovlnná fotonická technológia má obrovský potenciál pre aplikácie v radaroch, satelitnej komunikácii, širokopásmových bezdrôtových prístupových sieťach a integrovaných systémoch vesmír-vzduch, čo sľubuje, že zásadne ovplyvní pokrok moderných informačných technológií.
Prelomové výsledky výskumu v ČĽR
Výskumníci z ČĽR v posledných rokoch oznámili prelomové objavy, ktoré pozorovateľom na Západe často unikali.
Jedným z významných príkladov je vývoj fotonického čipu Taiji (太极光芯片) na univerzite Tsinghua, ktorý údajne prekonáva súčasné inteligentné čipy o dva až tri rády (Baijiahao, 12. apríla). Tento čip je rámcovaný ako mimoriadne užitočný pre komplexné úlohy, ako je analýza rozsiahlych obrázkov, podpora tréningu a odvodzovania LLM a prevádzka autonómnych inteligentných systémov s nízkou spotrebou energie. Inými slovami, táto technológia sa dá použiť na komplexné klasifikačné úlohy a obsah vytváraný umelou inteligenciou.
Spoločnosť Huawei robí pokroky aj v oblasti fotoniky. Spoločnosť napríklad v roku 2021 podala patent na "fotonický čip, spôsob jeho prípravy a jeho komunikačné zariadenie (光芯片及其制备方法、通信设备)" (Baijiahao, 13. marca). Na globálnom analytickom summite spoločnosti Huawei v roku 2021 Xu Wenwei (徐文伟), prezident strategického výskumného inštitútu spoločnosti Huawei, predpovedal, že dopyt po výpočtovom výkone sa do roku 2030 zvýši 100-násobne, čo povedie k veľkým investíciám spoločnosti Huawei do výskumu v oblasti fotonických počítačov (Youtube/Huawei, 12. apríla 2021).
Ďalší pokrok pochádza od tímu pod vedením profesora Wanga Chenga (王騁) na Mestskej univerzite v Hongkongu, ktorý tiež vyvinul niečo, čo označuje ako "špičkový mikrovlnný fotonický čip". Tento čip využíva optické komponenty na spracovanie a výpočet analógových elektronických signálov rýchlosťou 1 000-krát vyššou ako tradičné elektronické procesory pri nižšej spotrebe energie a je určený na použitie v širokej škále aplikácií (CityU, 29. februára). Tím profesora Wanga prekonal výzvy spojené s integráciou fotoniky s elektronickými systémami tým, že vyvinul čip s modulmi ultrarýchlej elektrooptickej konverzie, pričom použil umelý kryštál známy ako niobát lítny.
Niobát lítny (LiNbO3) sa často označuje ako "kremík fotoniky" a čoraz častejšie sa používa vo fotonických aplikáciách (Springer, 1. januára 2012). Platformy niobátu lítia na izolátore (LNOI), ktoré boli pôvodne vyvinuté v rámci spolupráce medzi Harvardovou univerzitou, laboratóriami Nokia Bell Labs a výskumníkmi z ČĽR ešte v roku 2018, vydláždili cestu pre vysoko výkonné fotonické zariadenia (Nature, 18. apríla 2018).
Vlastnosti tohto materiálu ho robia vhodným na tieto účely a zariadenia LNOI získali 99 % trhu s vysokorýchlostnou moduláciou (CHIPX, posledný prístup 30. júna; IOPTEE, posledný prístup 30. júna). Problémy však pretrvávajú.
Odborníci z ČĽR tvrdia, že fotonickým materiálom, ako je tenkovrstvový niobát lítny, chýbajú štandardizované techniky spracovania, čo brzdí vývoj súvisiacich zariadení a čipov. Fotonické zariadenia sú veľmi citlivé na teplotu a výrobné chyby, čo si vyžaduje vysoko presné technológie detekcie a opravy v reálnom čase pre rozsiahlu integráciu (NSFC, 17. januára 2023). Zahraniční odborníci sa medzitým zamerali na kľúčové prekážky, ako sú straty energie z pasívnych komponentov, oneskorovacích liniek, prepínačov a prepojení čipov, ktoré bránia výkonu integrovaných fotonických obvodov (Nano Material Science, 11. apríla).
Na plné využitie výhod fotoniky, ako je vysoká rýchlosť, veľká šírka pásma a nízka spotreba energie, je nevyhnutný vývoj súčiastok novej generácie s ultranízkymi stratami s využitím multimódovej vlnovodnej technológie a materiálov, ako je kremík alebo nitrid kremíka (Nano Material Science, 11. apríla). To zahŕňa prekonanie úzkych miest súvisiacich so šírkou pásma, šumom, stratami, citlivosťou a rozšírením operačných vlnových dĺžok. Jedným z kritických komponentov sú integrované čipy s vysokou hustotou prijímačov pre optickú komunikáciu, ktoré sú schopné zvýšiť počet paralelných kanálov a prelomiť limity prenosovej kapacity. Túto výzvu ilustruje kremíkový fotonický komunikačný čip spoločnosti Intel s rýchlosťou 1,6 TB/s a 8 vlnovými dĺžkami multiplexu. Laserové a modulátorové komponenty zaberajú väčšinu plochy čipu, čo naznačuje, že súčasné rozmery a úrovne integrácie sú nedostatočné pre budúce potreby ultravysokých kapacít (Intel, 28. júna 2022).
Záver
Spustenie prvej linky na výrobu fotonických čipov v ČĽR je významné. Bude hnacím motorom inovácií v oblasti kvantových počítačov, fotonických procesorov a pokročilých komunikačných technológií. Strategické štátne investície do fotoniky, ako sa zdôrazňuje v 14. päťročnom pláne a ďalších schváleniach na vysokej úrovni, pomáhajú ČĽR dostať sa na popredné miesto v tejto kľúčovej technológii, ako aj pomôcť jej obísť technologické kontroly USA.
Uvidíme, či ČĽR dokáže svoje údajné prelomové výsledky výskumu premeniť na rozšíriteľnú výrobu zariadení založených na tejto novej technológii. V súčasnosti žiadna krajina nie je schopná využiť túto technológiu na masovú výrobu nad rámec overenia konceptu a obmedzených prototypov (Nature, 8. mája). Napriek tomu sa ČĽR snaží byť lídrom v tomto novovznikajúcom odvetví, pričom načrtla cestu a zhromaždila potrebné zdroje. Vzhľadom na potenciálne prínosy, ktoré fotonika predstavuje pre celý rad technológií s dosahom na národnú bezpečnosť, je nevyhnutné, aby sa budúci vývoj pozorne sledoval.