Computerdesign der Zukunft Intel ersetzt Kupfer-Schaltkreis durch hybriden Silizium-Laser

Justin Rattner, Intel Chief Technology Officer und Director der Intel Labs, hat auf der Integrated Photonics Research Konferenz in Monterey, Kalifornien, den Prototypen des weltweit ersten Chips mit Silizium-basierter optischer Datenverbindung und integriertem Laser vorgestellt.

Dieser Chip soll helfen, künftig Lichtstrahlen statt Elektronen zum Datentransport im und rund um den Computer einzusetzen. Durch diese neue Technologie erfolgt der Datentransfer über längere Distanzen und um ein Vielfaches schneller als bei der heutigen Kupfer-Technologie. Bis zu 50 GBit/s lassen sich damit übertragen – das entspricht einem kompletten Film in HD-Qualität.

Die Komponenten eines Computers sind heute über Kupferkabel oder -bahnen auf Leiterplatten miteinander verbunden. Durch die Signal-Verschlechterung, die Metalle wie Kupfer bei der Übertragung von Daten mit sich bringen, ist allerdings die maximale Länge dieser Verbindungen begrenzt. Dies limitiert die Möglichkeiten von Computerdesigns und führt dazu, dass Prozessoren, Speicher und andere Komponenten nur wenige Zentimeter voneinander entfernt platziert werden müssen. Das von Intel vorgestellte Forschungsergebnis ist ein weiterer Schritt in Richtung des Ersetzens dieser Verbindungen durch extrem dünne und leichte optische Glasfasern, die mehr Daten über größere Entfernungen übertragen können. Damit verändert sich wesentlich die Art und Weise, in der Computer und Rechenzentren von morgen geplant und konstruiert werden können.

So wäre es beispielsweise denkbar, dass die Komponenten künftiger Rechenzentren oder Supercomputer über ein ganzes Gebäude oder sogar einen Campus verteilt sind und miteinander in hoher Geschwindigkeit kommunizieren – im Gegensatz zur beschränkten Reichweite und begrenzten Kapazität von schweren Kupferkabeln. Damit könnten etwa Suchmaschinen-Betreiber, Cloud Computing-Anbieter oder Finanzdienstleister in ihren Rechenzentren die Leistung und ihr Potenzial steigern, sowie signifikant Energie- und Raumkosten sparen. Forscher könnten mit der neuen Technologie leistungsfähigere Supercomputer bauen, die ihnen helfen, auch die größten wissenschaftlichen Herausforderungen zu meistern.

Der 50 GBit/s-Chip ähnelt einem „Konzept-Fahrzeug“, mit dem die Intel-Forscher neue Ideen testen und damit Technologien entwickeln können, die den Transfer von Daten über Lichtstrahlen und Silizium zu niedrigen Kosten – anstelle teurer, schwerer herstellbarer Bauelemente, die aus exotischen Materialien wie Galliumarsenid bestehen – ermöglichen.  Obwohl einige Anwendungen wie etwa im Bereich Telekommunikation bereits Laser verwenden, um Informationen zu übertragen sind diese aktuellen Technologien zu teuer und zu unhandlich für die Nutzung in PCs. „Die weltweit erste 50GBit/s-Verbindung über Silizium-Photonik mit integriertem hybriden Silizium-Laser markiert einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu unserem langfristigen Ziel, Photonik mit Silizium zu kombinieren und hohe Bandbreite als auch niedrige Kosten für die optische Kommunikation in und um künftige PCs, Server und Geräte für Verbraucher zu ermöglichen“, sagte Rattner.

Der 50 GBit/s-Prototyp ist das Ergebnis eines mehrjährigen Forschungsvorhabens zum Thema Silizium-Photonik, das zahlreiche Neuheiten hervorbrachte. Er besteht aus einem Silizium-Sender und einem Empfänger-Chip. Der Sender-Chip besteht aus vier hybriden Silizium-Lasern, deren Lichtstrahlen in einen optischen Modulator gelangen, der die Daten dort mit 12,5 GBit/s kodiert. Die vier Lichtstrahlen werden dann gebündelt und auf einem einzigen Lichtwellenleiter mit einer Datenrate von 50 GBit/s ausgesandt. Am anderen Ende der Verbindung trennt der Empfänger-Chip die vier optischen Strahlen und leitet sie in Photodetektoren, welche die Daten wieder in elektrische Signale umwandeln. Beide Chips sind mit kostengünstigen Verfahren hergestellt, die aus der Halbleiter-Industrie bekannt sind. Intel Forscher arbeiten bereits daran, die Datenrate durch Skalieren der Modulator-Geschwindigkeit und eine Erhöhung der Anzahl von Lasern pro Chip zu steigern. Dies bereitet den Weg für künftige optische Verbindungen im Terabit/s-Bereich. Solche Datenraten wären schnell genug, um die gesamten Daten eines typischen Notebooks in einer Sekunde zu übermitteln.

Die beschriebene Forschungsarbeit ist getrennt von Intels Light Peak-Technologie zu sehen. Diese hat das Ziel, eine optische Verbindung mit Multi-Protokoll 10 GBit/s auf Client-Plattformen von Intel zeitnah einzusetzen. Das Forschungsprojekt Silizium-Photonik hat das Ziel, Silizium und Photonik zu kombinieren, um Kosten einzusparen und Tera-Scale-Bandbreiten für die Ein-und Ausgabe von Daten (I/O) zu erreichen, die in einer Vielzahl von zukünftigen Anwendungen zu sehen sein werden.