11. února 2021
Trendy

Fotonika není elektronika. U ní nikdo neví, co bude za pět let

„Do České republiky nemíří ani procento z toho, co vyvineme a vyrobíme. Máme pouze určitá strategická partnerství s univerzitami, ale to v celém obratu firmy tvoří skutečně nepatrný zlomek obratu,“ říká na úvod společného vyprávění Martin Žoldák ze společnosti Argotech. Ta se jako jedna z mála v tuzemsku intenzivně zabývá oborem fotoniky. Dynamicky rozvíjejícího se segmentu, jež se v nejbližší budoucnosti stane onou vyhlíženou „skokovou změnou“ v oblasti dalšího vývoje technologií. Za poslední dekády jsme si zvykli, že všechno kolem nás se neustále zrychluje – a že má tahle změna exponenciální charakter. Jenže nyní jsme ve stádiu, kdy je další růst možný teoreticky, ale naráží na fyzikální limity. Optická vlákna mohou být stále rychlejší, ale fyzika má určité zákonitosti v oblasti vzdáleností, teploty, příkonu energie, odpadního tepla. Proto se hledají alternativy a fotonika má ze všech oborů nejlépe nakročeno tyto limity překonat.

„Jsem vlastně i trochu překvapený, jak malou pozornost věnují české univerzity tomuto oboru. Když hledáme někoho nového k nám do firmy, nemáme po kom sáhnout. Můžeme pouze vzít talentovaného absolventa z příbuzného oboru a v zásadě jej vše naučit až u nás. Na základě našich zkušeností se oborem nejintenzivněji zabývá Technická univerzita v Ostravě a jedna katedra na ČVUT. Přitom tudy pojede loď budoucnosti a západní země do vývoje a vědy investují řádově víc peněz i energie,“ říká muž, který je v Argotechu po celou jeho dosavadní historii. Bohužel, toto je důsledek velmi omezené vládní podpory výzkumu a technologických firem a vůbec neexistující koncepce strategických oborů.

Přitom fotonika je pro inženýry velmi zajímavým oborem, který je úzce spjat s elektronikou. Oproti elektronice ale přináší další dimenzi a dělá dané aplikace mnohem zajímavější. Toto je možná i důvod, proč máme fakticky nulovou fluktuaci zaměstnanců ve společnosti.

Od servisu ke state-of-art řešením

Tedy od roku 2006, kdy na severu severovýchodě Čech skončily aktivity společnosti Infineon Technologies (polovodičová společnost odštěpená od SIEMENSU), jež tu vyráběla aktivní prvky, vysílače a přijímače do optických vláken. Poté, co dva velcí světový hráči převzali největší část aktivit fotonické divize Infineonu, stále tu zbyla nemalá část aktivit bez zájemce. Ve spojení se zkušeným týmem, který tu byl, to byla velká motivace k založení nástupnické společnosti, v jejímž čele stojí bývalý vedoucí marketingu fotonické divize Infineonu. Takto přes noc vznikla společnost Argotech. Firmu, která v prvních letech stála na tom, že se snažila převzít menší zakázky, o které největší hráči neměli zájem.

„Pokračovali jsme ve výrobě toho, co dělal Infineon. Jenže to byl model, ve kterém bychom přežili nějakých pět let. Bylo potřeba se zamyslet, jak dál. A firma se rozhodla, že jediná cesta, je započít svůj vlastní vývoj. Nedělat jen „contract manifacturing“, kde slepě vyrábíte to, co vám ostatní nosí na talíři. Ale dát tomu zkušenost, know how. Začali jsme se zaměřovat na vysokofrekvenční návrhy, což je s fotonikou úzce spjaté. Začali jsme řešit první projekty pro zákazníky, kteří chtěli od nás sofistikované převodníky. Z čistě výrobní firmy jsme se stali inženýrskou společností,“ popisuje Martin Žoldák.

S tím, že si Argotech dodnes drží statut ryze servisní společnosti, která poskytuje svým klientům službu. Neprodává žádné svoje produkty, na trhu byste nenašli jediný její produkt. „To je filozofie, která tady je a nějakou dobu asi ještě vydrží. Je to i o důvěryhodnosti a obavách ze ztráty duševního vlastnictví. Naše zařízení je na optoelektroniku, mikroelektroniku, fotoniku a sillicon photonics. Fotonika je velmi dynamický obor. Tam nikdo netuší, co za pět let bude. V elektronice se dá poměrně slušně predikovat, ale ve fotonice prakticky vůbec. Možná o řád dynamičtější obor než elektronika, což platí určitě více než 10 let. Pracujeme na řadě specifických, state-of-the-art řešení,“ vypráví Martin Žoldák.

Slepá ulička

Dnešní fotonika – to je jízda na hodně divokém koni. Řeší se v ní paralelně mnoho revolučních přístupů, z nichž mnohé se nemají šanci na trhu prosadit. „Některá jsou technicky velmi dobrá, ale finančně jsou natolik nákladná, že je trh není schopen absorbovat. Obecně, fotonika je drahá. Vstupují do toho optické cesty, elektromagnetické vlny, které se šíří ve vlnovodech, jež na sebe musí velmi přesně navazovat. Ty přitom mají rozměry v řádu mikrometrů. A s touto přesností musíte dělat součástky – lasery, vlnovody, siliconphotonické čipy, optická vlákna. Nejde to dělat ani pasivně, ale aktivně, proto je to nákladné. „Světlo“ se musí šířit řízeně, nikoli vzduchem,“ vypočítává limity Martin Žoldák.

Fotonika a vláknová optika dnes již nejsou pouze datové přenosy, tak jak známe z minulosti. Dochází k masivnímu rozšiřování aplikací na bázi fotoniky, jedná se zejména o specifické senzory v různých průmyslových oborech. Přitom zde je fotonika v hodně případech jedním známým dobrým řešením, zatím neexistují alternativy. Například se jedná o bezdotykové snímání chemických látek v petrochemickém průmyslu, na fotonických řešeních je dnes i dost postaven i obranný průmysl a největší boom zažívají aplikace ve zdravotnictví a farmaceutickém průmyslu pro diagnostické účely. Důsledkem toho se daří zvyšovat kvalitu života nemocným lidem, nebo spektrální analýzou detekovat kvalitu léků, potravin atd. Ale asi nejznámější fotonickou aplikací pro laickou veřejnost z posledních let je ve spotřebním průmyslu tzv. Face ID, pro 3D identifikaci lidského obličeje, se kterou přišla společnost Apple u svého revolučního telefonu iPhone X.

PCB a vysokofrekvenční keramiky

„Neustále se posouvá rychlost. A to tak enormně, že po optických vláknech můžeme přenést takové množství informace za krátký časový úsek, že narážíme na limit elektrických cestiček. V roce 2012 jsme s jedním ruským zákazníkem rozjížděli projekt, kde chtěli 4x14 gigabitů řešení. Pro naši firmu to byl docela velký skok. Navrhli jsme převodník. Dva roky na to jsme byli účastní jednoho EU projektu, kde po nás chtěli udělat 4x56 řešení. Pro nás to představovalo obrovské riziko, protože to tehdy nikdo moc neřešil a neexistovaly k tomu žádné materiály ani roadmapy. Složitost řešení se zvyšuje exponenciálně s přenosovou rychlostí, kde čtyřnásobně vyšší rychlost vede ale cca k 20násobně složitějšímu problému. Bez sofistikovaných simulačních nástrojů na bázi FEM a FDTD se nelze obejít. Nakonec jsme našli řešení, ze kterého žijeme v dobrém smyslu slova dodnes. Je na bázi vysokofrekvenčního PCB a vysokofrekvenčních keramik. Pomocí řešení jsme schopni přenášet signály rychlostí 100 gigabitů NRZ po jednom kanále a to bez přídavné modulace (s modulacemi se dá zvýšit 2x až 4x), ale bohužel vidíme, že je to za nějakou cenu. Náročnost výroby PCB, substrátů a dalších věcí je velmi nákladná na výrobu. 100 gigabitů bude limit, už víme, že to nebude terrabit, ten už nebudeme schopní elektronikou přenést. 56 gigabit na jeden kanál je tak náročná úloha pro komerční sféru, že ji nejde finančně dělat efektivně. Zastavilo se to zhruba na úrovni 25 gigabitů na kanál, to je rozumná cena. My jsme na sto, možná se dokážeme dostat malinko přes, ale s fotonikou je to natolik drahé, že se to dále nerozšířilo,“ doplňuje Martin Žoldák.

Aplikace silicon photonics – vysokofrekvenční napojení čipu na PCB přes přizpůsobující keramiky

Musí se změnit architektura celých systémů

Dostali jsme se do bodu, kdy se budou totálně měnit architektury celých výpočetních a datových systémů. Elektronika jako taková není schopná efektivně přenášet vysokorychlostní signály po PCB spojích. My to navrhneme, ale materiály, které se používají, jsou neskutečně drahé. PCB mají vlastnosti dielektrik, používají se speciální lamináty, dielektrika pro vysokofrekvenční aplikace, specifický Rogers. Tam nemůžete použít klasická FR-4 lamina. Tyto nejlepší materiály mají pro ty vysoké frekvence tak vysoký útlum, že se i tyhle nejlepší materiály ukazují jako nedostatečné pro tyto frekvence. Co je vedlejší produkt, je vyšší energetická náročnost. Hrubou silou to jde, ale to bychom všichni měli takovou odpadní energii, že to nedává smysl. To se dá překonat fotonickým řešením a jeho přímou integrací do výpočetních čipů. K tomu již dochází, velké společnosti jako IBM na těchto řešeních intenzívně pracují. Výdaje budou desetinásobné, ale jinak než změnou filozofie a architektury se už neposuneme,“ uzavírá Martin Žoldák.

  

Zajímá Vás k tématu více?

Spojte se s našimi odborníky.

Ondřej Vařeka

marketing Gatema PCB

marketing@gatema.cz

OBSAH příspěvku

Sdílejte článek

Další příspěvky v kategorii

Všechny články
30.09.2024
Trendy

Komplexní analýza trhu s 3D elektronikou a prognózami trhu od společnosti IDTechEx

Zpráva s názvem „3D Electronics/Additive Electronics 2024-2034“ nabízí analýzu technologií na trhu a...
17.07.2024
Trendy

Evropský průmysl PCB je v ohrožení

Desky s plošnými spoji (PCB) jsou základní součástí elektronických systémů, poskytující elektrické...
17.06.2024
Trendy

Výzvy v návrhu plošných spojů pro vesmírné aplikace

Význam návrhu plošných spojů pro vesmírné aplikace nelze podcenit. Složité elektronické systémy slouží...