Deixe o Silício Brilhar / Offsyanka

A fotônica, como nossos leitores habituais provavelmente já sabem, é uma área extremamente promissora de desenvolvimento de alta tecnologia. No entanto, como os portadores de sinal aqui são quanta de luz (infravermelho, IR ou visível), as dimensões típicas dos guias de onda fotônicos e dos circuitos lógicos são significativamente maiores — várias ordens de magnitude — do que as típicas dos circuitos eletrônicos de silício modernos. E da perspectiva dos cálculos extremamente intensivos em recursos necessários para treinar e inferir grandes modelos de linguagem, isso representa uma desvantagem significativa: afinal, a operação de redes neurais densas e profundas se resume, em última análise, a operações de multiplicação de matrizes envolvendo centenas de bilhões, senão trilhões, de operandos. E se cada multiplicação de um sinal por um coeficiente de peso na próxima camada da rede neural for realizada não na RAM de um computador clássico, mas em um nó físico separado de um processador fotônico, o volume ocupado por tal processador — supondo que um modelo de linguagem grande (LLM) moderno, como o GPT-5, seja executado nele — excederá todos os limites razoáveis. Além disso, para fabricar circuitos de grande escala (para os padrões da microeletrônica moderna), seria necessário desenvolver um ciclo tecnológico completo, embora não do zero. Afinal, o silício, cujas tecnologias de processamento foram levadas à quase perfeição pela microeletrônica moderna, é um semicondutor de gap indireto e, portanto, não é o mais adequado para organizar e processar fluxos de radiação infravermelha, muito menos de radiação óptica.

Caro, demorado, trabalhoso — esses são os adjetivos que, em última análise, caracterizam o trabalho para aperfeiçoar um circuito de grande escala (para os padrões da microeletrônica moderna).Os protótipos de computação fotônica mais promissores em operação atualmente. Por que os pesquisadores que continuam a aprimorá-los permanecem otimistas — especialmente em relação a um campo aparentemente sem futuro como a fotônica de silício, que muitos especialistas recentemente consideravam um beco sem saída?

Representação artística de nanopartículas metálicas ajudando átomos de silício a superar a propriedade inerente de banda proibida indireta deste material, juntamente com um diagrama explicativo (fonte: Nano Letters)

⇡#A coisa vai ficar interessante por aqui

Vamos recapitular brevemente (já abordamos isso com mais detalhes antes) o principal problema do silício como elemento estrutural fundamental para a formação de circuitos fotônicos. A propriedade de banda proibida indireta deste semicondutor, amplamente utilizado em microeletrônica, leva a perdas adicionais de energia e tempo durante a transição eletrônica entre os estados livre e de valência com a emissão de um fóton, tornando as fontes de radiação coerente de silício (lasers) extremamente ineficientes. Portanto, a tecnologia híbrida deve ser usada para formar circuitos integrados quântico-ópticos (QOICs; também conhecidos como circuitos integrados fotônicos, ou PICs). Os guias de onda e os circuitos lógicos em si são produzidos usando métodos clássicos de fotolitografia, utilizando wafers de silício sobre isolante (SOI) como base. No entanto, os minilasers e nanolasers para fornecer portadores de informação física — fótons, na verdade — a esses circuitos precisam ser fabricados separadamente a partir de materiais mais adequados (de gap direto). Como resultado, os SOIs híbridos não são apenas maiores do que os circuitos integrados de escala muito grande (VLSIs) com elétrons como portadores de informação, mas também são desproporcionalmente mais caros de fabricar. Considerando a sensibilidade dos SOIs modernos ao custo do hardware em que são implementados, os circuitos híbridos são a priori inferiores aos circuitos monolíticos integrados. O uso de semicondutores de gap direto também éPara formar guias de onda e circuitos, seria necessário investir enormes recursos ao longo de décadas no desenvolvimento de uma direção completamente nova na indústria de microprocessadores — algo que nem mesmo uma superpotência, quanto mais empresas privadas, pode se dar ao luxo de fazer no atual cenário macroeconômico.

Por essa razão, a fotônica baseada em silício surge como uma das vias mais promissoras: a humanidade aprendeu a trabalhar com esse elemento químico, o segundo mais abundante na crosta terrestre, ao longo do último meio século. E então, em abril de 2026, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine (UC Irvine), fizeram uma descoberta inovadora, demonstrando que estruturas de silício são de fato capazes de emitir luz de forma eficiente — isto é, sem as grandes perdas térmicas causadas pela banda proibida indireta desse material — sem sequer exigir modificações particularmente sofisticadas na composição ou estrutura do semicondutor mais popular entre os fabricantes de chips. É importante ressaltar que os pesquisadores liderados pelo Dr. Aleksei I. Noskov conseguiram produzir luz de banda larga suficiente usando silício comum em sua forma cristalina cúbica, em vez de filmes finos ou configurações espaciais complexas de átomos de Si.

(a) Esquema das transições ópticas no silício em massa. Semelhante aos processos de absorção, as transições da banda de condução inferior requerem fônons para conservar o momento, resultando na baixa eficiência de emissão inerente ao silício em massa. (b) Espectro de emissão do silício em massa, mostrando a contribuição do espalhamento Raman na faixa visível (azul) e a emissão aprimorada por fônons da banda de condução inferior na faixa do infravermelho próximo (vermelho) (fonte: Nano Letters).

A natureza indireta da banda proibida do silício reduz sua eficiência como meio emissor de luz. O momento de um fóton eletromagnético na faixa óptica ou infravermelha não é muito grande em comparação com o de um elétron se movendo através de um (semi)condutor dentro de um chip VLSI: a velocidade deste último é muito menor que a velocidade da luz, mas ele possui massa — e, como resultado, seu momento é significativamente maior que o de um fóton sem massa. A recombinação radiativa — a mesma transição de um elétron entre seus estados livre e de valência com a emissão de um fóton, que já discutimos — ocorre em estrita conformidade com as leis de conservação de energia e momento. A diferença entre o momento do elétron recém-liberado e o fóton emitido pelo átomo de silício após a recombinação gera um fônon — ou seja, excita vibrações da rede cristalina, levando, em última instância, ao aquecimento da amostra.

Curiosamente, em 2024, uma equipe de pesquisa liderada por Sergey S. Kharintsev, do Instituto de Física da Universidade Federal de Kazan (Região do Volga) (que na época incluía, entre outros, Alexey Noskov) eUma equipe da Universidade de Tel Aviv, coordenada por representantes da UC Irvine, demonstrou que o limite natural para a magnitude máxima do momento de um fóton pode ser significativamente relaxado ao localizar a luz em um espaço extremamente pequeno — literalmente na escala nanométrica. A questão é que, a tais distâncias, o princípio da incerteza de Heisenberg começa a se manifestar — neste caso, a proibição de determinar simultaneamente, com precisão, as coordenadas espaciais e o momento de um objeto quântico. E se um fóton de radiação óptica ou infravermelha, que não seja o mais energético em si, for aprisionado em uma nanoarmadilha com dimensões características de alguns nanômetros, ou seja, se ele fixar sua posição no espaço com alta certeza, a distribuição de seu momento, em plena conformidade com o princípio da incerteza, se expande significativamente — em até três ordens de magnitude. Isso não significa que alguns fótons de luz visível sejam magicamente transformados em raios X ultracurtos: o que está em questão é a distribuição probabilística do espectro, determinada por efeitos quânticos. Contudo, o aumento resultante no momento clássico (observado no espaço aberto, onde as propriedades quânticas das partículas não se manifestam) é inteiramente real e mensurável — ele permite que os fótons praticamente igualem o momento dos elétrons livres no silício, compensando assim a indiretividade inerente do material.

Caracterização e visualização de superfícies de wafers revestidas com partículas de ouro de diâmetros característicos de 15 nm (b), 5 nm (c) e 1,2 nm (d): (1) mapas AFM (barra de escala de 400 nm); (2) imagens ópticas de campo claro usando luz branca; (3) mapas Raman na linha de fônon de 521 cm⁻¹ do silício; (4) mapas de PL a 630 nm; (5) mapas de PL a 1000 nm, representando a luminescência mediada por fônons do silício a partir da base da banda de condução no ponto X. A barra de escala para todas as imagens ópticas é de 5 μm. Nota: Os mapas de PL a 630 nm para as amostras de 15 nm (b4) e 5 nm (c4) foram ampliados 15 vezes. (Fonte: Nano Letters)

Uma equipe liderada pelo Dr. Noskov depositou partículas metálicas ultrafinas com tamanhos característicos inferiores a 2 nanômetros em um substrato de silício. Os espaços entre eles formaram essas mesmas armadilhas quânticas, onde o momento do fóton, graças ao princípio da incerteza, adquire uma dispersão de probabilidade antes inimaginável. E um efeito imediato foi observado: quando exposta a um feixe de luz comum direcionado à amostra, a superfície de silício começou a emitir intensamente fótons em resposta, em uma faixa de frequência extremamente ampla — do visível ao infravermelho próximo. Uma eficiência de radiação comparável à de semicondutores de gap direto foi alcançada experimentalmente — um resultado incrível para o silício em massa comum. Descobriu-se que a interação entre luz e matéria agora pode ser organizada de uma maneira completamente diferente, antes inacessível aos engenheiros — não dependendo da estrutura eletrônica fixa do material, mas do controle do momento dos quanta de luz.

Agora, sobre semicondutores de gap indireto.Transições “diagonais” (em coordenadas de energia e momento; veja o diagrama explicativo em nosso artigo anterior sobre fotônica quântica) tornam-se possíveis, o que, em particular para o silício em massa, abre um novo canal para recombinação radiativa com perda térmica mínima. A luz agora pode controlar diretamente as transições eletrônicas em materiais — e isso, de acordo com pesquisadores da UC Irvine, cria a base para o desenvolvimento de fotônica de silício totalmente integrada, permitindo a criação de fontes de radiação, detectores e componentes eletrônicos em uma única plataforma. Além disso, não há necessidade de nos limitarmos ao silício: estados fotônicos com momento controlado são aplicáveis ​​a outros materiais também. Comparado à abordagem de criar novos estados em substâncias conhecidas alterando sua geometria (materiais semicondutores bidimensionais, por exemplo), controlar o momento do fóton parece ser uma maneira mais econômica de projetar dispositivos optoeletrônicos. Sem dúvida, muitos mais anos de pesquisa e experimentação são necessários: simplesmente fazer o silício emitir com eficiência não é suficiente; Também é necessário organizar essa emissão e construir todos os circuitos correspondentes para organizar os circuitos lógicos que efetivamente realizarão os cálculos fotônicos. Mas a perspectiva de aproveitar toda a experiência em engenharia e tecnologia acumulada até o momento pela indústria de semicondutores de silício para esse fim é tão atraente que superar a atual lacuna de eficiência entre eletrônica e fotônica dessa maneira é exatamente o que se precisa.Parece, talvez, a mais realista.

Acima: um pacote de ondas senoidais com frequências diferentes; abaixo: o mesmo pacote, mas em coordenadas de frequência-intensidade, ilustrando por que um grupo de ondas com frequências semelhantes é chamado de pente (fonte: NIST)

⇡#PrecisamosDeMaisFótons

A pesquisa científica, assim como a engenharia, nunca é unidimensional: ao lado de um tópico altamente promissor que promete resultados reais apenas em um futuro distante, vários outros serão inevitavelmente desenvolvidos — com um olhar mais atento, mas com uma chance muito maior de implementação bem-sucedida. A fotônica de silício não é exceção: enquanto as fontes de luz de silício com estados fotônicos controlados por pulsos estão nos estágios iniciais da pesquisa laboratorial, dispositivos produzidos em massa (mesmo em pequena escala) desse tipo, construídos usando tecnologias mais convencionais e iluminados por lasers externos, estão melhorando constantemente.

Assim, em outubro de 2025, o grupo do Professor Michal Lipson, da Universidade Columbia, publicou um relatório na Nature Photonics detalhando o que os próprios pesquisadores chamaram de um avanço significativo na organização dessa mesma iluminação externa para CCICs de silício. A equipe criou uma fonte que emite um pente de frequências de alta potência (ou seja, um conjunto de fluxos de fótons distribuídos uniformemente em diferentes frequências, obtidos a partir de um único laser devido ao efeito Kerras usando ressonadores em miniatura), integrada diretamente em um chip fotônico de silício. Isso eliminou a necessidade de usar vários lasers para gerar diferentes comprimentos de onda e, simultaneamente, adicionou uma fonte de radiação às já implementadas.Nesses tipos de chips, são utilizados os componentes-chave de circuitos ópticos — guias de onda, moduladores e fotodetectores. O grupo do Professor Lipson utilizou um diodo laser multimodo: uma fonte óptica verdadeiramente poderosa, mas infelizmente não particularmente estável. Para compensar essa desvantagem, os pesquisadores estabilizaram os feixes de laser passando-os por estruturas de silício — formadas, naturalmente, no mesmo substrato que os demais componentes do circuito integrado. Após a estabilização, o feixe de fótons original de alta intensidade é dividido no mesmo pente de frequências, possibilitando o uso de diferentes frequências dentro do mesmo circuito óptico para resolver diferentes problemas. É claro que, com essa abordagem, o próprio diodo multimodo ainda precisa ser fabricado separadamente do circuito integrado, mas o fato de que apenas um é necessário nesse caso, e de que os feixes multifrequenciais de quanta de luz são formados no próprio chip, simplifica e reduz significativamente o custo de criação de computadores fotônicos de silício com múltiplos componentes.

Embora a aplicação mais importante da fotônica quântica seja atualmente a comunicação digital, o momento para computação intensiva nesse hardware está se aproximando gradualmente (fonte: Imec).

Em novembro daquele ano, Yang Junhong, Diretor Geral do Instituto de Tecnologia Optoeletrônica Avançada de Shaanxi, anunciou que sua organização estava pronta para fornecer a parceiros serviços de P&D e produção piloto de chips optoeletrônicos e fotônicos de silício baseados em uma plataforma de integração desenvolvida no instituto. A plataforma utiliza wafers de silício padrão de 8 polegadas de diâmetro e uma tecnologia de processo de 130 nm em equipamentos da renomada empresa belga Imec. A integração proposta envolve o uso de um conjunto bem desenvolvido e otimizado de mais de 60 ferramentas e sistemas essenciais — desde equipamentos de fotolitografia até bancadas de teste — para criar chips fotônicos quânticos com base em projetos externos (ou por meio de desenvolvimento conjunto com o Instituto de Tecnologia Optoeletrônica Avançada de Shaanxi).

Talvez a parte mais interessante deste relatório seja a modesta lista de cidades chinesas perto do final onde “linhas de produção piloto semelhantes de fotônica de silício já estão em operação”, com foco na integração heterogênea, ou seja, o uso conjunto de microchips fotônicos e semicondutores em um único sistema: Wuhan, Pequim, Xangai e Chongqing. Considerando que o desenvolvimento das instalações de produção microeletrônica mais avançadas pelos camaradas chineses está compreensivelmente estagnado, é bem possível que o KOIS, que não exigeProcessos de fabricação significativamente menores que 90 nm (já discutimos detalhadamente o porquê) se tornarão um investimento mais atraente do que tentar replicar a fotolitografia EUV de ponta. Embora seja improvável que alguém considere usar computação fotônica para navegar na web ou jogar Crysis, treinar modelos de navegação binária (BNMs) com trilhões de parâmetros operacionais (e talvez até mesmo realizar inferência) com eles provavelmente será mais barato do que usar servidores de computação semicondutores disponíveis na China para o mesmo propósito.

Chips fotônicos de silício para interconexões ópticas com taxas de transferência de até 400 Gbps já estão sendo produzidos em massa em wafers de 300 mm em data centers (fonte: Imec).

Mas, é claro, a China não está sozinha no desenvolvimento da fotônica de silício convencional (que não depende de fontes de luz com estados fotônicos controlados por pulsos). Nos Estados Unidos, que ainda lideram amplamente o mercado global tanto em número de data centers quanto em densidade de processadores de IA baseados em chips VLSI tradicionais, problemas já estão surgindo no nível de troca de dados dentro dos data centers. Os canais de comunicação óptica oferecem a maior largura de banda possível nesse contexto, tendo apresentado um progresso impressionante na última década — de 10 e 25 Gbps, suficientes para cargas de trabalho corporativas distribuídas e aplicações web, passando por 40 e 100 Gbps, até os promissores 200 e 400 Gbps, que se tornaram necessários para o processamento de big data e aplicações exigentes. Agora, com a geração de fluxos de dados enormes pelas cargas de trabalho de IA, fala-se em implementar canais ópticos em data centers com taxas de 800 Gbps. Recentemente, diversas empresas, incluindo AMD, Broadcom, a inovadora Meta✴*, Microsoft, Nvidia e OpenAI, uniram forças para criar o consórcio industrial OCI MSA (Optical Compute Interconnect Multi-Source Agreement). O objetivo dessa iniciativa é construir um ecossistema aberto, liderado por hiperescaladores que mais necessitam de interconexões eficientes e de alta velocidade, que permita o desenvolvimento de uma cadeia de suprimentos com múltiplos fornecedores para essas interconexões, com foco especial em seu aprimoramento.Escalabilidade. O consórcio já publicou uma especificação discreta para uma interface óptica de 200G projetada especificamente para redes de IA de grande escala.

Enquanto isso, até o final de 2025, pelo menos dois grandes desenvolvedores, Imec e NLM Photonics, afirmam estar perto de oferecer linhas de comunicação óptica com taxas de dados de 400 Gbps — e, como enfatizado, baseadas em tecnologias de silício. Os transceptores comerciais modernos, que convertem bits eletrônicos em fluxos de fótons e vice-versa, geralmente operam com cabos de fibra óptica de oito núcleos e fornecem taxas de dados típicas de 100 a 200 Gbps por canal. A Imec está utilizando um modulador de eletroabsorção de silício-germânio, que aumenta a capacidade de absorção de luz do semicondutor quando uma tensão é aplicada, atingindo assim 448 Gbps por canal nas primeiras amostras de laboratório (o potencial de desenvolvimento da tecnologia ainda precisa ser explorado). A NLM Photonics adota uma abordagem diferente: um design híbrido de silício e materiais orgânicos. Ele utiliza moduladores baseados em interferômetros Mach-Zehnder, que alteram eletricamente as propriedades ópticas dos canais e permitem uma taxa de dados de 224 Gbps por canal, com potencial para aumentar ainda mais para 400 Gbps. O uso de circuitos orgânicos, segundo os desenvolvedores, possibilita um aumento de uma a uma ordem e meia de magnitude na eficiência do modulador em comparação com aqueles construídos com circuitos OIS tradicionais — e isso se traduz em economia de energia significativa para um data center de hiperescala.

O modulador de eletroabsorção de silício da Imec, apresentado no final de 2025, promete taxas de dados de até 448 Gbps por canal. No entanto, como o sistema é fotônico de silício, seus componentes individuais são bastante macroscópicos em comparação com circuitos puramente eletrônicos com tecnologia de 2 nanômetros (fonte: Imec).

A fotônica de silício está se desenvolvendo rapidamente em diversas direções, e já existem grandes expectativas em relação a ela: a DataM Intelligence estima que esse segmento do mercado global de TI atingirá US$ 2,62 bilhões em 2025 e deverá crescer para US$ 34,34 bilhões nos próximos 10 anos, representando uma taxa de crescimento anual composta de aproximadamente 30%. Esse rápido desenvolvimento, enfatizam os analistas, é impulsionado não tanto pela crescente necessidade de troca de big data em data centers (e aqui estamos falando de velocidades de 1,6 Tbps por canal), mas sim pela necessidade de processar esses dados usando sistemas de computação baseados em circuitos integrados. Talvez, em meados da próxima década, as duas áreas-chave do progresso da fotônica de silício — transmissão de dados e computação em si — convirjam, dando origem finalmente a uma máquina capaz de computar na velocidade da luz, cuja fabricação de componentes principais eliminará a necessidade de desenvolver e construir toda uma infraestrutura de produção do zero — repetindo, assim, o caminho já trilhado pelas tecnologias de microprocessadores de silício. A questão que se coloca, no entanto, é qual o nível de miniaturização que essas tecnologias terão alcançado até lá: a tecnologia de processo “10A” da Intel tem previsão de implementação para 2028-2029, e o que acontecerá depois disso ainda é incerto. Esperemos que seja em 2035.Os provedores de hiperescala terão a opção de escolher em qual hardware executar tarefas de IA — SBIM ou KOIS. Isso definitivamente não beneficiará ninguém!