האלקטרו-אופטיקה מזוהה בדרך כלל עם חישה, הדמיה ולייזרים. בשנים האחרונות מתרחשת תזוזה עמוקה יותר, כמעט מתחת לרדאר: טכנולוגיות אור עוברות בהדרגה מעולמות התקשורת והמדידה אל לב-ליבו של המחשוב. אם המגמה הזו תבשיל, האור ישמש גם להעברת מידע וגם לעיבודו.
הדחיפה לשינוי מגיעה מהבינה המלאכותית. ככל שמודלים חישוביים מתרחבים ומשתלבים בכל תחומי הכלכלה – מתעשייה ורפואה ועד שירותי ענן ותחבורה – כך גדל גם המחיר הפיזי שמאחוריהם: חומרה, חשמל וקירור. מרכזי נתונים המפעילים עומסי AI צורכים כבר כיום כמויות אנרגיה עצומות, והתחזיות מצביעות על המשך עלייה בעשורים הקרובים. במקביל, מערכות אנרגיה לאומיות, במיוחד באירופה, מתמודדות עם חשמול מואץ של תחבורה ותעשייה. כך הולכות ונפגשות שתי תשתיות יסוד של הכלכלה המודרנית: אנרגיה ודיגיטל.
בתמונה הזו, יעילות המחשוב אינה עוד שאלה אלקטרונית בלבד – זו גם שאלה תשתיתית. כאן נכנסת לתמונה הפוטוניקה.
כשהחישוב עצמו נעשה באור
המחשוב הדיגיטלי הקלאסי נשען על אלקטרונים הזורמים דרך טרנזיסטורים ומוליכים. לאלקטרונים יש מגבלות פיזיקליות: התנגדות חשמלית, יצירת חום והפסדי אנרגיה. ככל שהשבבים מהירים וצפופים יותר, כך גדלים גם החום והצריכה – ולכן מרכזי נתונים מודרניים משקיעים אנרגיה רבה בחישוב וגם בקירור.
מחשוב פוטוני מציע פרדיגמה שונה: שימוש בפוטונים לביצוע פעולות חישוביות. במקום זרם חשמלי במוליך, גלי אור נעים במוליכים אופטיים זעירים ומבצעים אינטראקציות פיזיקליות כמו אינטרפרנציה, המייצגות פעולות מתמטיות. התוצאה היא חישוב במהירויות גבוהות במיוחד וכמעט ללא יצירת חום.
האנלוגיה ההיסטורית ברורה: כאשר סיבים אופטיים החליפו כבלי נחושת בתקשורת, קיבולת ומהירות הרשתות קפצו סדרי גודל. כעת אותה מהפכה עשויה להגיע אל החישוב עצמו.
התאמה טבעית לעומסי חישוב מודרניים
מערכות למידה מבוססות רשתות נוירונים נשענות במידה רבה על פעולות ליניאריות, ובעיקר כפל מטריצות. פעולות אלו יכולות להתבצע באופן טבעי באמצעות התאבכות של גלי אור, כלומר בפיזיקה עצמה ולא בטרנזיסטורים. במילים אחרות, במקום לבנות מיליארדי טרנזיסטורים המבצעים חישוב, ניתן לתת לאור לבצע אותו ישירות.
בעידן שבו סקייל החישוב מוגבל יותר ויותר על-ידי אנרגיה ולא על-ידי אלגוריתמים, זהו הבדל מהותי. מכאן נובע העניין הגובר במאיצים פוטוניים.
פרויקט: HAETAE צעד אירופי-אסייתי למחשוב אופטי
אחת היוזמות הבולטות בתחום היא פרויקט HAETAE, שיתוף פעולה בין האיחוד האירופי לדרום קוריאה לפיתוח דור חדש של חומרת חישוב פוטונית. הפרויקט, במימון Horizon Europe ו-Chips Joint Undertaking, מפתח מעגלים משולבים פוטוניים ומאיצים אופטיים המיועדים למרכזי נתונים ולמחשוב ענן.
המטרה שאפתנית: שיפור של עד פי עשרה ביעילות האנרגטית של עומסי חישוב מתקדמים, תוך הגדלת מהירות העיבוד והפחתת החום. הקונסורציום משלב את חוזקות אירופה בפוטוניקה וחומרים עם מומחיות קוריאנית בייצור שבבים, וכולל בין היתר את imec, AkhETonics, KAIST ו-DGIST.
מעבר להיבט הטכנולוגי, הפרויקט משקף מגמה רחבה יותר בתעשיית השבבים: פיתוח טכנולוגיות דור-הבא באמצעות שיתופי פעולה אזוריים, במטרה לחזק עצמאות טכנולוגית ולהפחית תלות בשרשראות אספקה בודדות.
מחשוב וחשמל: מפגש תשתיות
תחזיות אנרגיה ארוכות טווח מצביעות על עלייה דרמטית בביקוש לחשמל עד 2050 עקב חשמול תחבורה ותעשייה והתרחבות תשתיות דיגיטליות. במקביל, עומסי חישוב מתקדמים דורשים מרכזי נתונים עתירי אנרגיה וקירור. כך הופך המחשוב עצמו לרכיב במערכת האנרגיה.
בתמונה זו, טכנולוגיות חישוב חסכוניות אנרגטית נתפסות כחדשנות תשתיתית. פוטוניקה בולטת במיוחד משום שהיא מפחיתה הן את צריכת החישוב והן את צריכת הקירור.
למה לפוטוניקה יש יתרון אנרגטי
החיסכון האנרגטי של מחשוב פוטוני נובע משלושה גורמים פיזיקליים: פוטונים אינם חווים התנגדות חשמלית כמו אלקטרונים ולכן כמעט אין הפסדי Joule; מעבר אור יוצר מעט מאוד חום; וגלי אור יכולים לבצע חישובים מקביליים באופן טבעי. שילוב זה מאפשר לבצע פעולות מטריציוניות, לב-ליבה של למידת מכונה, ביעילות גבוהה בהרבה ממחשוב אלקטרוני מסורתי.
מעבר ל :GPU החיפוש אחר ארכיטקטורת חישוב חדשה
GPU הפך בעשור האחרון למאיץ המרכזי של עומסי למידה חישובית, אך גם הוא מתקרב לגבולות פיזיקליים של צריכת חשמל וצפיפות חום. לכן התעשייה בוחנת כיום ארכיטקטורות חלופיות: אנלוגיות, נוירומורפיות ואופטיות. מבין אלו, פוטוניקה נחשבת לאחת המבטיחות ביותר, משום שהיא מאפשרת לבצע חישוב מטריציוני בקצב גבוה במיוחד תוך צריכת אנרגיה נמוכה.
מבט לשוק: מירוץ המחשוב הפוטוני כבר החל
לצד פרויקטי מחקר אקדמיים כמו HAETAE, מתפתחת בשנים האחרונות תעשייה סביב מאיצי חישוב פוטוניים. סטארטאפים כגון Lightmatter ו-Luminous Computing כבר גייסו מאות מיליוני דולרים ומציגים שבבים ומערכות פוטוניות פועלות, המיועדות להאצת חישובי למידה במרכזי נתונים.
במקביל, ענקיות השבבים מאמצות אסטרטגיה הדרגתית יותר. אינטל ואנבידיה משקיעות רבות בתחום Optical I/O, כלומר החלפת הקישורים החשמליים בתוך מערכות מחשוב בקישורים אופטיים, לפני מעבר מלא למעבדים פוטוניים. גישה זו מאפשרת להתמודד תחילה עם צווארי הבקבוק של רוחב-פס, חום וצריכת אנרגיה בתקשורת בין-שבבית, הנחשבת כיום לאחד הגורמים המרכזיים להגבלת סקייל מערכות חישוב מתקדמות.
שתי הגישות, מאיצים פוטוניים מלאים מול אינטרקונקט אופטי, משקפות אסטרטגיות שונות לאותה מטרה: המשך הגדלת ביצועים מבלי להגדיל באותה מידה את צריכת החשמל. כך או כך, ברור כי המירוץ למחשוב מבוסס אור כבר מתנהל בפועל, הן בתעשייה והן במחקר.
בין הבטחה למציאות
עם זאת, מחשוב פוטוני נמצא עדיין בשלבי מעבר ממחקר למוצר. כבר יותר מעשור מדברים בתעשייה על "המהפכה הפוטונית שמעבר לפינה", אך בפועל מערכות חישוב מבוססות אלקטרוניקה ממשיכות לשלוט בשוק, ומאיצי GPU מתקדמים ממשיכים להגדיל ביצועים בקצב מרשים. גם תחום הסיליקון-פוטוניקה, שהתקדם מאוד בתקשורת אופטית, טרם חולל פריצה דומה בליבת המעבד.
האתגר אינו רק טכנולוגי. שרשרת הייצור, כלי התכנון והאקוסיסטם התוכנתי של מחשוב מודרני בנויים סביב CMOS. שינוי פרדיגמה בחומרת מחשוב הוא תהליך איטי הדורש בשלות הנדסית ואימוץ שוק רחב. לכן, גם אם מאיצים פוטוניים מבטיחים יתרונות מהותיים, הדרך להחלפת חומרת חישוב אלקטרונית בקנה מידה תעשייתי עוד ארוכה.
מבט קדימה
הדרך ממעבדת פוטוניקה למוצר תעשייתי רחב עדיין כרוכה באתגרים, ביניהם אינטגרציה עם CMOS (טכנולוגיית הייצור הסטנדרטית של שבבי סיליקון כיום), יציבות אופטית, תכנות וארכיטקטורות היברידיות. אך הכיוון ברור: המשך הצמיחה של עומסי חישוב מתקדמים דורש פרדיגמה חומרתית יעילה יותר אנרגטית.
כפי שסיבים אופטיים שינו את עולם התקשורת וכפי ש-GPU שינה את המחשוב המקבילי, כך ייתכן שמאיצים פוטוניים יהפכו בעשור הקרוב לעמוד תווך של תשתיות החישוב. אם מגמה זו תבשיל, האלקטרו-אופטיקה תתרחב מתחום החישה וההדמיה אל תחום העיבוד ותהפוך למנוע מרכזי של עידן הבינה המלאכותית.
מקורות:
HAETAE Project Consortium; Horizon Europe / Chips Joint Undertaking; Copenhagen Infrastructure Partners – Powering the Future: A Vision for Europe’s Energy System in 2050; פרסומי Lightmatter, Luminous Computing, Intel ו-NVIDIA בתחום photonic computing ו-optical interconnects.
