HALBLEITER 24. Jun 2019 Ariane Rüdiger

Silizium-Photonik: Erste Anwendungen im Markt

Die Idee, optische Bauelemente mit Logik auf einem Chip zu verbinden und so für beides eine Fertigungstechnologie zu verwenden, ist nicht neu. Nun aber stehen die ersten Produkte vor der Marktreife und könnten der IT-Industrie neue Horizonte eröffnen.

So erfolgreich die konventionelle Informationstechnik ist, so groß sind mittlerweile ihre Probleme: Da ist der stetig steigende Energieverbrauch von Rechenzentren. Hinzu kommt extrem zunehmender Bandbreitenbedarf für die Datenkommunikation – sowohl auf dem Chip als auch zwischen Rechnern. Das sind nur einige der kritischen Aspekte, die einer Lösung harren.

Silizium-Photonik (Silicon Photonics) bietet hier Lösungen. Optische Bauelemente werden dabei mit erprobten Halbleitertechnologien auf Silizium-Wafern erzeugt – gemeinsam mit Logikschaltungen. Das bedeutet erheblich weniger Flächen-, Material- und Energieverbrauch. Chip-Weltmarktführer Intel produziert und testet solche Designs bereits auf bestehenden, leicht angepassten Fertigungslinien.

Möglich ist das dank 3-D-Chipdesign, Fertigungs- und Testmethoden, die lichterzeugende Bereiche aus Indiumphosphat mit Mikro-Lichtleitern auf Siliziumbasis und den Logikschaltungen auf einem Chip verbinden. Auf dem fertigen Chip wird dann Licht (Photonen) erzeugt, das der unterhalb der lichterzeugenden Einheit befindliche Lichtleiter sofort in die Kommunikationsinfrastruktur einspeist – wie, entscheidet die Logik. Daten- und Telekommunikation können so die gleiche technologische Basis, nämlich Silizium, verwenden.

Von der Technologie getriebene Applikationen dieser Technik stehen nach Meinung von Analysten vor rasantem Wachstum. Mit ihnen wurden laut Semi 2010 erst knapp 50 Mio. $ weltweit umgesetzt. 2017 sollen es schon über 250 Mio. $ sein.

So möchte das Open Compute Project (OCP) in den gigantischen Cloud-Rechenzentren der Zukunft Serverkomponenten mittels optischer Kabel vernetzen. Ziel ist es letztlich, Rechenkerne räumlich vom Arbeitsspeicher und von den Ein-/Ausgabemodulen zu trennen. Distanzen bis 2 km lassen sich bereits in so hohen Gigabit-Geschwindigkeiten überbrücken, dass Server und Ein-/Ausgabemodule in unterschiedlichen Räumen stehen können. Inzwischen bringen erste Hersteller, etwa Fujitsu, entsprechende Komponenten auf den Markt.

Viel von sich reden macht derzeit besonders Intel, wo man seit Jahren gezielt in Silizium-Photonik investiert. So hat Intel beispielsweise eine Aufsatzkarte für seine Xeon-Serverprozessoren und die Mikroserverkarte Avalon im Programm, mit der man von der Serverkarte aus breitbandige optische Verbindungen nach außen führen kann. IT-Sicherheitsspezialist RSA demonstrierte im Januar 2013 ein darauf basierendes Gerät.

Im April 2013 gelang es Intel, Daten im Labor mit seinen Silizium-Photonik-Chips bis zu 100 Gbit/s schnell zu transportieren im April des laufenden Jahres präsentierte Huawei einen Router mit Intels Silicon Photonics Chips. Derzeit gibt es Bausteine für 50 Gbit/s in größeren Stückzahlen, doch Intel hat schon eine Roadmap bis zu Transportleistungen von 1 Tbit/s pro Chip fertig. Neue Stecker und Spezialkabel mit geringem Biegeradius kommen etwa vom Hersteller Corning.

Die Versprechen von Silicon Photonics sind groß: nur noch ein Tausendstel der heute benötigten Energie für den Datentransport und massiv erhöhte Bandbreiten auch im Rechenzentrum selbst. Dazu Chips ohne Kupfer-Leiterbahnen, auf denen eine aufgelagerte optisch vernetzte Schicht den Datentransport übernimmt (Network on the Chip), und damit auch preiswerte Konsumelektronik, die bisher ungekannte Bandbreiten bietet und vieles mehr. Unter dem Einfluss von Silizium-Photonik, da sind Fachleute sich einig, steht der Informationstechnik ein ähnlicher Entwicklungssprung bevor wie einst durch die Erfindung der ersten Chips.

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