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Licht am Ende des Tunnels

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Kürzlich erschienen im Bereich Photonik zwei bemerkenswerte Veröffentlichungen: der Artikel „Photonics Moves Closer To Chip“ und einige Patentanmeldungen von POET Technologies.

English English abstract: Recently two noteworthy publications appeared in the photonics domain: the article „Photonics Moves Closer To Chip“ and some patent applications of POET Technologies.

  • Please find an automatic Google translation of the complete article here. However, please beware it is anything but perfect!

In „Photonics Moves Closer To Chip“, erschienen am 2016-06-20 bei Semiconductor Engineering, beleuchtet Ed Sperling den aktuellen Stand von Silicon Photonics, die Technik für Transport und Verarbeitung von Daten mittels Licht mittels Siliziumchips.

Anfang der 2000er Jahre sei hier viel Energie hineingesteckt worden, zitiert Sperling Gnyaneshwar Ramakrishna, den Vorsitzenden des Photonics Technical Committee der IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Society. Jetzt erlebe Silicon Photonics mit Datenraten zwischen 25 und 100 Gigabit pro Sekunde (Gbps) in Rechenzentren einen neuen Boom.

Doch Photonik tauge nicht nur zur Datenübertragung zwischen Servern, sondern man wolle sie auch innerhalb des Servers und innerhalb von Chips nutzen. »Diese Sache ist den Chip zu bringen, davon träumen alle«, so Ramakrishna. Allerdings wisse heute noch niemand, was die Technik wirklich leisten könne oder wann mit ersten Chips zu rechnen sei. Denn dazu gebe es erstens noch eine Reihe technischer Herausforderungen zu lösen, und zweitens müßten für Stückzahlen die Zulieferketten und das Ökosystem her. Das brauche Zeit.

Technische Herausforderungen für Silicon Photonics

Der Bedarf nach integrierten Photoniklösungen ist jedenfalls vorhanden. Sanjay Jha, CEO von GlobalFoundries, sieht einen schnell wachsenden Markt von 33 bis 35 Milliarden US-Dollar für schnelle Verbindungen innerhalb von Rechenzentren und auch für Datenflüsse in Fahrzeugen.

Um Silicon Photonics tauglich für den Massenmarkt zu machen, sind laut„Photonics Moves Closer To Chip“ allerdings noch eine Reihe technischer Herausforderungen zu meistern, vor allem diese drei:

  1. Die benötigten Laser-Lichtquellen werden derzeit aus III-V-Verbindungshalbleitern hergestellt und sind inkompatibel zur Siliziumtechnik, auf denen die Chips beruhen. Die Laser müssen daher nachträglich als externe Bauteile auf den Chip aufgebracht werden. Das ist aufwendig und teuer.
  2. Optik und Elektronik lassen sich innerhalb eines einzigen Chips nicht integrieren. Kombinierte optoelektronische Lösungen mit Silicon Photonics bestehen deshalb aus mindestens zwei Chips, einem elektronischen und einem optischen.
  3. Die Lebensdauer der Laser – und damit die Lebensdauer der gesamten Komponente – ist begrenzt.

POET-Technik liefert Lösungen

Während Silicon Photonics getreu seinem Namen auf Silizum (Si) setzt, geht POET Technologies andere Wege. Bereits in den 1990er Jahren hatte Dr. Geoff Taylor an der University of Connecticut angefangen, Galliumarsenid (GaAs) als Alternative zu erforschen. Taylor waren die photonischen Grenzen von Silizium klar. Er wußte, daß man aus diesem Material keine Laser bauen kann und wählte daher mit Galliumarsenid eine völlig andere Grundlage. Heute ist die von Taylor entwickelte Planar Opto-Electronic Technology (POET) das technische Herzstück von POET Technologies und bietet Lösungen für die oben genannten Probleme, mit denen sich Silicon Photonics herumplagt.

  1. Galliumarsenid ist ein III-V-Verbindungshalbleiter und eignet sich sehr gut für Laser. Diese Laser kommen nicht separat hinzu, sondern werden zugleich mit allen anderen Bauelementen monolithisch aus dem Galliumarsenid-Wafer hergestellt. Laser verursachen also keinen Extraaufwand. Das reduziert die Kosten enorm.
  2. Während Silicon Photonics unterschiedliche Chips für elektronische und optische Funktionen benötigt, integriert die POET-Technik alles in einem einzigen Chip, zusätzlich übrigens auch sowohl digitale wie analoge Bauelemente. Das reduziert die Kosten wie auch den Platzbedarf.
  3. Zum Thema Lebensdauer von POET-Lasern hat sich POET Technologies bislang nicht geäußert. Ich vermute aber, daß die Lebensdauer durch die Integration gewiß nicht kürzer ist als bei Silicon Photonics ist.

Viele der Probleme, mit denen Silicon Photonics kämpft, hat POET längst gelöst oder bestehen gar nicht erst. Gute Aussichten für die beiden ersten Produkte, die POET Technologies Ende 2016 auf den Markt bringen will.

Rechnen mit Licht

Idealerweise werden die Daten optisch zum Server transportiert, und die Verarbeitungsergebnisse verlassen ihn ebenfalls auf optischem Weg. Die Datenverarbeitung selbst erfolgt aber elektronisch. Daher haben wir es serverseitig mit folgenden Schritten zu tun:

  1. Empfang optischer Daten
  2. Konvertierung optischer Daten in elektronische Darstellung
  3. Verarbeitung der elektronischen Daten
  4. Konvertierung der Ergebnisse von elektronischer Darstellung in optische
  5. Senden der optischen Daten

Das Hin- und Herkonvertieren kostet Energie und Zeit. Doch wie wäre es, wenn man die digitalen Daten unmittelbar optisch verarbeiten könnte? Dann wären die Konvertierungen überflüssig, und alles liefe noch schneller und sparsamer. Dafür hatte Geoff Taylor im Dezember 2014 für die University of Connecticut und die POET-Tochter OPEL Solar einige Patentanträge eingereicht, die das US-Patentamt USPTO jetzt veröffentlichte.

Die Grundelemente digitaler Datenverarbeitung sind sogenannte Logikgatter. Sie dienen dazu, die berühmten Nullen und Einser der digitalen Datenverarbeitung miteinander zu verknüpfen und so Ergebnisse zu berechnen.

Das AND-Gatter beispielsweise hat im einfachsten Fall zwei Eingänge und einen Ausgang. Das Ausgangssignal wird genau dann 1, wenn an den beiden Eingängen jeweils eine 1 anliegt. In allen anderen Fällen ist das Ausgangssignal 0, etwa wenn an einem Eingang eine 1 und am anderen eine 0 anliegt.

In der elektronischen Digitaltechnik stellt man Nullen und Einsen durch unterschiedliche Spannungsniveaus dar. Eine Spannung von etwa 0 Volt repräsentiert die logische 0, eine gut unterscheidbare höhere Spannung ist die 1. Wie hoch genau diese höhere Spannung ist, hängt von der verwendeten Technik ab. Meist liegt sie irgendwo zwischen einem und vier Volt. Wer es genauer wissen will, schaue in der Wikipedia unter »Logikpegel« nach. Der Transistor ist in der Elektronik das grundlegende Bauelement zur technischen Realisierung der Logikgatter.

In der Photonik verwendet man statt Spannung Licht, etwa »Licht aus« als logische 0 und »Licht an« als 1. Wie kann man diese Lichtsignale verknüpfen? Das grundlegende Bauelement dafür ist der optische Thyristor. Die Patentanmeldungen beschreiben optoelektronische Schaltungen, die die logische Verknüpfung optischer Signale mit Hilfe optischer Thyristoren ermöglichen. Eines der Patente beschreibt das AND-Gatter („Thyristor-Based Optical AND Gate and Thyristor-Based Electrical AND Gate“), ein anderes das XOR-Gatter („Thyristor-Based Optical XOR Circuit“). Diese optischen Gatter verknüpfen jeweils zwei Lichtsignale, die an den Eingängen anliegen und liefern ein optisches Ausgangssignal.

Liegt etwa beim AND-Gatter sowohl an Eingang A wie auch an Eingang B das Signal »Licht an«, liefert auch der Ausgang das Signal »Licht an«. Ist nur einer oder keiner der Eingänge hell, bleibt der Ausgang dunkel. Bei welchen Eingangssignalen welches Ausgangssignal kommt, kann man als Tabelle darstellen:

Optisches AND-Gatter
Eingang A Eingang B Ausgang
Licht aus Licht aus Licht aus
Licht aus Licht an Licht aus
Licht an Licht aus Licht aus
Licht an Licht an Licht an

Das XOR-Gatter sieht so aus:

Optisches XOR-Gatter
Eingang A Eingang B Ausgang
Licht aus Licht aus Licht aus
Licht aus Licht an Licht an
Licht an Licht aus Licht an
Licht an Licht an Licht aus

Der optische Thyristor, das Herzstück der POET-Optoelektronik, hat sowohl elektronische wie auch optische Eigenschaften. Er ist sozusagen in beiden Welten zu Hause und verbindet sie. Die AND- und XOR-Gatter von POET-Technologies zeigen sich da durchaus vielfältig und lassen sich je nach Einsatzzweck unterschiedlich ausgestalten. Sie können nicht nur, wie oben beschrieben, optische Signale verknüpfen und ein optisches Signal als Ergebnis liefern, sondern schlagen auch die Brücke zur Elektronik. Insgesamt sind folgende Konfigurationen sind möglich:

  • Optische Eingangssignale werden zu einem optischen Ausgangssignal verknüpft.
  • Optische Eingangssignale werden zu einem elektrischen Ausgangssignal verknüpft.
  • Elektrische Eingangssignale werden zu einem optischen Ausgangssignal verknüpft.
  • Elektrische Eingangssignale werden zu einem elektrischen Ausgangssignal verknüpft.

Neben AND und XOR gibt es noch einige weitere Logikgatter. Dafür hat POET Technologies keine Patente beantragt – oder zumindest ist davon nichts bekannt. Zwischen Antragsstellung und Veröffentlichung des Patentantrags kann aber einige Zeit ins Land gehen, in diesem Fall eineinhalb Jahre. Wer weiß, was sonst noch alles in der Pipeline steckt!

Jedenfalls ist klar, daß sich auch die übrigen Logikgatter mit der POET-Technik in optischer Form realisieren lassen. Theoretisch lassen sich nämlich sämtliche unterschiedlichen Logikgatter durch einen einzigen Gattertyp realisieren, dem NAND. Ein NAND ist ein AND mit einem nachgeschalteten Inverter, dem NOT. Der Inverter macht aus einer 0 eine 1 und umgekehrt. Wer nicht glaubt, daß POET einen Inverter bauen kann, schaue sich den Patentantrag „Thyristor-Based Optical Flip-Flop“ an. Da wird diese Funktion – und mehr – verwendet. In der Praxis wird man natürlich nicht alles aus NANDs zusammensetzen, sondern jeweils optimierte Schaltungen bauen.

Der Weg hin zum optischen Computer ist zweifellos noch weit, aber POET Technologies hat mit diesen Patentanmeldungen wichtige Grundlagen gelegt.

 


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