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Feature Stories - Neue Grenzen in Frage stellen: Chips übertragen Daten lichtschnell

Die Computerindustrie steht kurz vor einer Krise: Die Mikrochips werden immer kleiner und schneller, aber sie haben zu kämpfen, um die Daten mit ausreichenden Geschwindigkeiten übertragen zu können. Die über standardmäßige Chipverbindungen fließenden Elektronen sind schlicht und einfach zu langsam. EU-finanzierte Forscher konnten nun demonstrieren, wie Chips mit eingebauten Lasern, die mehrere Wellenlängen des Lichts nutzen, in Zukunft Daten mit Terabit-Geschwindigkeit übertragen könnten.

Digitale Wirtschaft

Laser sind hervorragend für die Übertragung von Informationen geeignet. Jedes Mal, wenn man das Internet nutzt oder einen Telefonanruf tätigt, sausen Daten in Form von Lichtimpulsen oder Photonen Hunderte Kilometer durch die Glasfasernetze, die kreuz und quer über den ganzen Kontinent verlaufen. Im Computerinneren findet sich allerdings immer noch eher altmodische Elektronik. Mikroprozessoren rechnen mit Elektronen, und sie übertragen die Daten innerhalb der und zwischen den Chips gleichermaßen mit Hilfe von Elektronen. "Die Elektronik nähert sich mit schnellen Schritten einer Krise", erklärt Dries Van Thourhout vom Institut für Informationstechnologie an der Universität Gent, einem angegliederten Labor des IMEC in Belgien. "Bisher haben wir stets versucht, die Geschwindigkeit der Transistoren zu erhöhen, aber dass die Leistung nun nicht mehr erhöht wird, ist nur eine Frage der Packung auf noch kleinerem Raum. Größtes Hindernis für mehr Leistung ist jedoch die Geschwindigkeit der Verbindungen zwischen Chips und Bauelementen. Das nennen wir den 'Engpass der Interkonnektivität'." Man kann sich das lebhaft anhand einer Süßwarenfabrik vorstellen, die zwar tausende Bonbons pro Sekunde herstellt, die Süßigkeiten aber nur mit einer Geschwindigkeit von einigen hundert Stück pro Sekunde verpacken und an die Läden versenden kann. Wird die Produktion nicht verlangsamt, so türmen sich die süßen Sachen schließlich zu Haufen, rollen über den Boden und das gesamte Fertigungssystem verstopft und bricht hoffnungslos zusammen. Die leistungsstarken Mikroprozessoren in Computern verwenden heutzutage ungeheuer große Mengen an Daten und führen Millionen Berechnungen pro Sekunde aus. Und man muss diese Daten innerhalb des Computers (oder auch des Mobiltelefons) übertragen. Halten aber die Verbindungen das nicht durch, so können sie die Elektronen einfach nicht schnell genug verschieben. Der einzige Weg, um dieses Problem in den Griff zu bekommen, besteht darin, die Datenerzeugung zu verlangsamen. Und hier nun kommt das Licht ins Spiel: Man kann Laser einsetzen, um anstelle von Elektronen Photonen entlang von Silizium"drähten" zu versenden. Laut Van Thourhout lässt sich Licht im Infrarotbereich bemerkenswert gut mittels Silizium übertragen. Die optischen Verbindungen sind allerdings nicht aufgrund der Geschwindigkeit des Lichts besser. Der eigentliche Trick besteht darin, dass man Licht "multiplexen" kann. Im Prinzip kann man Photonen verschiedener Wellenlängen gleichzeitig durch die Verbindungen jagen. Mit drei Wellenlängen lässt sich somit auf effektive Weise eine dreifach schnellere Datenübertragung erzielen. Teile und herrsche Vor diesem Hintergrund sollte das Wadimos-Projekt ("Wavelength division multiplexed photonic layer on CMOS") einen Demonstrationschip mit optischen Multiplex-Verbindungen entwickeln. Der Chip basierte auf der innerhalb eines Vorgängerprojekts (PICMOS) entwickelten Technologie, in dem dank eines einzigartigen, von den PICMOS-Partnern entwickelten "Klebstoffs" erstmalig ein Mikrochip mit integrierten Mikrolaserlichtquellen gebaut wurde. "Das PICMOS-Projekt war wirklich ein großer Erfolg. Wir konnten beweisen, dass optische Verbindungen hergestellt werden können und dass sie auch funktionieren", berichtet Van Thourhout. "Aber es ist immer die eine Sache, etwas im Labor herzustellen und zu demonstrieren. Auf der anderen Seite kann man diese Chips nicht auf dem Massenmarkt einführen oder das Problem des Engpasses der Interkonnektivität lösen, solange man sie nicht millionenfach im industriellen Maßstab herstellen kann. PICMOS veranschaulichte das Prinzip der optischen Verbindungen. Wadimos wird beweisen, dass das Multiplexen möglich ist und dass die Chips in einer üblichen CMOS-Fertigungsanlage hergestellt werden können." Europas größter Chiphersteller STMicroelectronics arbeitete mit Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Frankreich und Italien sowie einem niederländischen KMU zusammen, das auf Lithographie (Ätzen) für elektronische Bauteile spezialisiert ist. Gemeinsam konnten diese Partner die Ergebnisse von PICMOS weiterentwickeln und sie an kommerziellere Fertigungsverfahren anpassen. Eine der größten Herausforderungen bestand darin, die Goldverbindungen zu den Mikrolasern im PICMOS-Prototyp zu ersetzen. "Gold in der Chipfertigung - das geht gar nicht", betont Van Thourhout. "Gold gilt als Verunreinigung und so entwickelte der Partner CEA-LETI einen Prozess, mit dessen Hilfe die auf den Chips angebrachten integrierten Laser unter Einsatz von Metallen wie Aluminium, Titan und Titannitrid verbunden werden können, die man im Allgemeinen in der Chipfertigung verwendet." Die belgischen Projektpartner bei IMEC haben überdies daran gearbeitet, die passiven Verteilerstrukturen im Silizium zu optimieren und die Realisierbarkeit von deren industrieller Produktion zu untersuchen. Weitere Projektpartner konnten ihr Fachwissen beitragen: das Institut für Nanotechnologie Lyon (INL) in Frankreich demonstrierte einen neuen Typ von "Mikroquelle", mit dem die Ausgangswellenlänge gesteuert werden kann. INL arbeitete außerdem gemeinsam mit STMicroelectronics an der Entwicklung eines Wegs zur Simulierung des optischen Netzwerks auf einem Chip. Die Universität Trento, Italien, entwickelte und demonstrierte schließlich einen neuen Typ eines Siliziumrouters, der eingesetzt werden konnte, um Photonen auf spezielle optische Pfade "umzuschalten". Das Wadimos-Team fasste all diese Entwicklungen zusammen und fertigte ein Netzwerk von acht vollständig miteinander verbundenen Siliziumblöcken. Die Forscher konnten das erfolgreiche Multiplexen über diese Verbindungen und die Durchführbarkeit einer optische Filterung, mit der der Durchgang von Photonen durch die Siliziumverbindungen gelenkt und gesteuert wird, und deren anschließende Detektion nachweisen. Es wartet noch viel Forschungsarbeit auf die Wissenschaftler. Insbesondere müssen die Laser in der Hochtemperaturumgebung einer Chipoberfläche auch wirklich zuverlässig funktionieren. Nach Van Thourhouts Angaben müssen neue Materialien erforscht werden, die mit der Hitze zurechtkommen. "Dennoch sind wir voller Hoffnung, dass sich dieser Ansatz auf lange Sicht als sehr erfolgreich erweisen wird", bekräftigt der Forscher. "Wir verfolgen einen explorativen Ansatz." Er erklärt, dass andere Forschergruppen, im Besonderen in den USA, optische Verbindungen entwickelt hätten, bei denen eine chipexterne ("Off-Chip") Laserquelle zum Einsatz kommt; der Laserstrahl wird geteilt und für jede Verbindung umgeleitet. "Bei diesen Chips ist man schon weiter und sie werden in Kürze in Supercomputern eingesetzt werden", so Van Thourhout, "und könnten auch durchaus auf den Massenmarkt für Computer vordringen, aber auf lange Sicht wird es effizienter sein, Chips mit integrierten Laserquellen einzusetzen." "Wir erwarten von den Wadimos-Verbindungen einen möglichen weiteren Anstieg der Rechenleistung und die Überwindung der Datenübertragungsengpässe. Unser erklärtes Ziel ist es, optische Verbindungen zur Standardtechnologie zu machen, die die Entwicklung noch leistungsfähiger, kleinerer Mikroprozessoren unterstützen wird, die Daten mit einer Geschwindigkeit von 100 Terabit pro Sekunde übertragen sollen." Das Wadimos-Projekt erhielt 2,3 Mio. EUR (der 3,2 Mio. EUR Gesamtprojektbudget) Forschungsmittel innerhalb des IKT-Programms (Next-Generation Nanoelectronics Components and Electronics Integration) des Siebten EU-Rahmenprogramms (RP7). Nützliche Links: - Website "Wavelength Division Multiplexed Photonic Layer on CMOS" - WADIMOS-Factsheet auf CORDIS - Website "Photonic Interconnect Layer on CMOS by Waferscale Integration" - PICMOS-Factsheet auf CORDIS Weiterführende Artikel: - Copper's not coping: new chips call on light speed