יישומי התקשורת המורכבים של הדור החמישי – החל מהורדות מדיה, דרך יישומי מציאות מדומה ורבודה, ועד ערים חכמות ו-IoT, יביאו לגידול עוצמתי בתעבורת הנתונים ויצריכו קצב תעבורה של 10 גיגה-ביט/שניה. מגמה זו תייצר עומסים חסרי תקדים על רשתות התקשורת. הפתרון טמון בשימוש בתקשורת נתונים על גבי סיבים אופטיים שעשויים מסיליקה, שתאפשר קצב מידע מהיר באמצעות מערכות מבוססות שבב אחד
קצב תעבורת הנתונים חווה גידול דרמטי בעידן שבו משתמשי קצה צורכים אפליקציות, שירותים ותכנים וויזואליים ברשת. לנוכח זאת, מתמודדים ספקי התקשורת עם האתגר לאפשר את התמיכה בעליית הקצב, תוך תמיכה במגוון הספקיות השונות שמעוניינות לספק ללקוחותיהם מוצרים ושירותים בצורה וירטואלית על גבי המכשירים האישיים שלהם ללא הגעה לסניף, כמו קופות חולים, גופי ממשל, גופים פיננסיים ורשויות מוניציפליות.
בדור החמישי של התקשורת, יישומי תקשורת מורכבים ומתקדמים, כמו מציאות מדומה, מציאות רבודה, ערים חכמות, רכבים אוטונומיים ו-IoT, יגבירו משמעותית את צרכי תעבורת הנתונים. שירותי הדור הרביעי הקיימים היום דורשים קצב תעבורת נתונים של כ-100 מגה-ביט/שניה בממוצע, באיכות HD. לעומתם, שירותי התקשורת של הדור החמישי ידרשו הרבה יותר. לדוגמא טכנולוגיות חדשות של העברת וידאו ידרשו קצב תעבורה של 90 פריימים לשנייה ברזולוציה של 8K, דבר המצריך הרחבה של רוחב הפס הקיים בסדר גודל של פי 100 כבר בשנתיים הקרובות, על מנת לאפשר קצב תעבורה של 10 גיגה-ביט/שניה.
דרישה הכרחית נוספת הינה זמן השהייה כך שיהיה פחות ממילי-שניה אחת. לדרישה זו תהיה השפעה חזקה הן על הרכיבים והן על ארכיטקטורת המערכת בה הם כלולים, אשר כפועל יוצא צריכה לקצר מסלולי תעבורה ולאפשר הקטנה משמעותית של זמן התעבורה והתפשטות הנתונים והאותות במערכת.
מגמה זו מביאה להיווצרות של עומסים חסרי תקדים על רשתות התקשורת האלחוטית, וספקיות התקשורת נתקלות באתגר ההולך וגדל של תעבורה גבוהה על תשתית שמתפרסת למרחקים, תחת מגבלות של רוחב פס ברשת המבוססת בסופו של דבר על תקשורת קווית.
מהפכת תקשורת הנתונים באמצעות שבבי סיליקון פוטוניים
הגידול האקספוננציאלי בתעבורת הנתונים ברשתות התקשורת ילך ויתחזק ככל שיחלוף הזמן. בעתיד הנראה לעין, המעבר לתקשורת סלולרית בדור החמישי תעצים את האתגר ותצריך מודל כלכלי שיאפשר צמיחה ניכרת בנפחי התעבורה תוך שמירה על רווחיות. כרגע נראה כי רשתות הדור החמישי יפעלו במהירות של 20 ג’יגה-ביט לשנייה, המהווה זינוק של ממש מול יכולות הדור הרביעי, הפועלות במהירות מקסימלית של עד 1 ג’יגה-ביט לשנייה. כלומר, בעתיד ייווצר צורך להזרמת נתונים ברוחב פס גבוה, שתאפשר למשתמשי הקצה לצפות בווידיאו באיכות גבוהה גם במכשיר הנייד, להוריד קבצים במהירות, ולחבר התקני IoT רבים לרשת.
לצורך המחשה, קצב תעבורה של 1 גיגה-ביט/שניה מאפשר הורדה של כ-25 שירים בשנייה והורדה של סרט באורך מלא ב-35 שניות באיכות HD, אפילו לא 4K. האתגר של הדור החמישי יהיה לאפשר להוריד באותו משך זמן של 35 שניות סרט באורך מלא באיכות של 8K. כלומר אם תשתית תעבורת הנתונים תישאר, בדור החמישי של שירותי התקשורת, כפי שהיא היום, נוכל להוריד את אותו סרט באיכות 8K בכ-20 דקות.
הפתרון טמון בשימוש בתקשורת נתונים אופטית המבוססת על סיבים אופטיים שעשויים מסיליקה. הסיבים האופטיים אינם מתכלים ומאפשרים העברת מידע בקצבים גבוהים למרחקים ניכרים. כבר היום ניתן לראות שהתקשורת האופטית חודרת לכל מקום כתשתית לכל תעבורת הנתונים, החל מספקיות השירות ועד לצרכן הביתי במודל FIBER TO HOME. גם הסלולר נתמך כיום על-ידי תקשורת אופטית וגם מתקני דאטה סנטר עושים בהם שימוש. הקישורים האופטיים ישמשו גם להעברת מידע בתוך השרת עצמו, על-גבי המעגל המודפס, ואף בתוך השבב.
גם ייצור שבבי הסיליקון-פוטוניים (silicon photonics) עובר מהפיכה, המקבילה למהפכת המיקרו-אלקטרוניקה משנות ה-60′. הודות לשיפורים טכנולוגיים אנו יכולים לייצר התקנים אלקטרוניים בסיליקון בגדלי ננו, לשלב התקנים פוטוניים על גבי הסיליקון, ולממש אותם בפלטפורמות של SYSTEM ON THE CHIP, המתאפיינות באינטגרציית רכיבים אלקטרוניים ופוטוניים, ומקטינות את עליות הייצור ואת הסיבוכיות הנלווית. כלומר, אותה טכנולוגיה שבה השתמשנו לייצור רכיבים אלקטרוניים משמשת אותנו היום לייצור רכיבים פוטוניים ומערכות אלקטרוניות ואופטיות משולבות.
לפי התפיסה שעומדת מאחורי טכנולוגיית הסיליקון פוטוניקס, כדי לממש מערכות אופטיות מורכבות מרובות פונקציות, יש לקחת את עולם עיבוד האותות והתקשורת הספרתית שהיו קיימים במערכות האלקטרוניות ולממש אותם בעולם האופטי במקום במערכות האלקטרוניות, שנחנקות עקב קצב גידול העברת המידע, כלומר עיבוד אופטי של אותות.
אינטגרציית רכיבים פוטוניים תייעל את תקשורת הדור החמישי
בעקבות הגידול העצום בנפח ובקצב תעבורת הנתונים, רבים מבינים את הצורך בפיתוח מערכות תקשורת אופטיות מתקדמות ורכיבים אופטיים תואמים. אם מביטים רק באפליקציות של חברות הטלקום והדאטה-טלקום, או על הכניסה של מחשבים מהירים אפשר להבין את גודל השוק המתפתח. כולם רוצים תקשורת נתונים מהירה והטכנולוגיה היום מאפשרת זאת.
החזון מדבר על כך שהמערכות הטכנולוגיות סוגרות את הפער בכל הקשור ליכולת העברת נתונים. התקשורת האופטית מאפשרת קצב מידע מהיר באמצעות מערכות על שבב אחד, בדרגת אינטגרציה גבוהה של רכיבים פוטוניים ומיליארדי התקנים אלקטרוניים על אותו תא שטח. זו מהפיכה מבחינת שוק התקשורת האופטית והיא מביאה עימה את הצורך בסיליקון פוטוניקס. טכנולוגיית סיליקון פוטוניקס מאפשרת עיבוד כל-אופטי של נתונים, כלומר ניתן לממש פונקציות מתמטיות מורכבות לעיבוד אותות באמצעות התקנים פוטוניים. תכונה זו היא שמאפשרת להוריד את מגבלת המהירות של רכיבים אלקטרוניים, ולצורך עיבוד אותות להשתמש במערכות אופטיות שמאפשרות עיבוד בקצב גבוה יותר תוך שהן מקטינות את זמן ההשהיה לעיבוד האותות, שנקבע על ידי גודל הרכיב ומהירות ההתפשטות של האות בהתקן. כמו כן, עקב הפסדי האור הקטנים בהתקנים הללו, מתבטל הצורך בקירור ההתקנים כמעט לחלוטין, דבר שיוביל לחסכון של עד 50% מצריכת האנרגיה של מערכת ממוצעת.
הבנת צרכי השוק מצד אחד והאפשרויות שמזמנת טכנולוגיית הסיליקון פוטוניקס מצד שני הביאה את קבוצת החוקרים שלנו לפתח התקנים חדשניים להעברת מידע בקצב גבוה על גבי סיליקון, פיתוח שביצענו במשך מספר שנים בתמיכה ומימון חלקיים של רשות החדשנות (המדען הראשי). ההתקנים מאפשרים העברת מידע בקצבים גבוהים וביעילות גבוהה המקטינה את צריכת הספק, טכנולוגיה ייחודית שמשתמשת ברכיבים פוטוניים על מנת לממש פונקציות מתמטיות מסובכות. דבר זה מאפשר לשדר קבעי מידע של 400 גיגה-ביט/שניה על גבי אורך גל אחד, דבר המקטין את מספר מקורות האור (לייזרים) למערכת, דבר המקטין אף הוא את מספר הרכיבים במערכת, ובהתאם לזה גם את צריכת ההספק.
ההתקן החדשני נמצא כיום בשלב המסחור בשוק ומסוגל לספק מענה לצרכי העברת מידע למרחקים גדולים, דור חמישי בסלולר, תקשורת על גבי שבב וכל זאת על רקע הגידול העצום הצפוי בנפח וקצב העברת הנתונים על גבי רשתות התקשורת.
פרופ’ יוסף בן-עזרא, מדען ראשי בקבוצת מר המציעה פתרונות תקשורת ובטחון מקיפים. פרופ’ בן עזרא מתמחה בתחום טכנולוגיית התקני העברת מידע בקצב גבוה על גבי שבבי סיליקון, ומשמש כדיקן הפקולטה להנדסה במכון הטכנולוגי חולון.
