Neuartige Chiptechnologie von IBM ebnet den Weg für die optische Datenkommunikation zwischen Computerprozessoren

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Yorktown Heights, NY, USA, 1. Dezember 2010—An der internationalen Fachkonferenz der Halbleiterindustrie SEMICON in Tokio, Japan, stellen IBM Forscher eine neuartige Chiptechnologie vor, die elektrische und optische Bauelemente auf demselben Siliziumchip integriert. Die Technologie ermöglicht die Datenkommunikation zwischen Prozessoren mit Lichtpulsen anstelle der heute üblichen elektrischen Signale. Die Forschungsleistung stellt einen wichtigen Schritt für die Entwicklung von noch kleineren, schnelleren und energie-effizienteren Computerchips jenseits der Grenzen konventioneller Techniken dar.

Die neue so genannte „CMOS Integrated Silicon Nanophotonics“-Technologie ist das Resultat einer 10-jährigen Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet bei IBM Research, an der auch die Photonics-Forschungsgruppe des IBM Forschungslabors in Rüschlikon beteiligt ist. Eine Übersicht der wichtigsten Meilensteine bei der Entwicklung dieser Technologie ist in der nachfolgenden englischsprachigen Mitteilung aufgeführt.

Die patentierte IBM-Technologie übertrifft die mit den heutigen Herstellmethoden machbare Integrationsdichte von elektrischen und optischen Komponenten um das 10-fache, was enorme Geschwindigkeits- und Leistungssteigerungen bei der Datenkommunikation zwischen Chips zulässt.

„Die Einbettung von optischer Datenkommunikation in den Prozessor bringt uns einen wichtigen Schritt weiter in der Entwicklung von energie-effizienten Computersystemen mit Leistungen im Exaflop-Bereich“, sagt T.C. Chen, Vice President, Science & Technology bei IBM Research. Ein Exaflop sind 10¹⁸ Rechenoperationen in einer Sekunde. Ein Exascale-Computer ist damit rund 1000-mal leistungsfähiger als der schnellste heutige Supercomputer.

Optische Komponenten im Nanomassstab für Terabit-pro-Sekunde Übertragungsraten

Bedeutsam für die Anwendung der nun vorgestellten Silizium-Nanophotonik-Technologie ist vor allem, dass sie in heutigen Standard-CMOS-Produktionslinien hergestellt werden kann und keine speziellen Geräte erfordert. Mit diesem Ansatz lassen sich Transistoren auch auf derselben Siliziumschicht wie die Nanophotonik-Komponenten einbetten. Möglich wurde dies durch die Entwicklung von integrierten, ultra-kompakten aktiven und passiven optischen Bauelementen mit kleinsten Abmessungen. Hierzu gehören etwa Modulatoren, Germanium-Photodektektoren oder ultra-kompakte Wellenlängen-Multiplexer. Letztere wurden bei IBM Research - Zürich entwickelt.

„Dank der Wellenlängen-Multiplexer lassen sich gleich mehrere Datenströme in einer optischen Verbindung übertragen, wobei jeder Datenstrom seine eigene Lichtfarbe benutzt. So wird eine weitere Hochskalierung der Datenraten möglich“, erklärt Dr. Folkert Horst von der Photonics Forschungsgruppe am IBM Forschungslabor Zürich.

Ein einziger On-Chip-Transceiverkanal für die optische Datenkommunikation mit allen notwendigen elektrischen und optischen Komponenten und Schaltkreisen findet mit dieser Technologie auf nur 0,5 mm² Platz. Ein gesamter Transceiver mit einer Grösse von 4×4 mm² könnte so Übertragungsraten von mehr als einem Terabit-pro-Sekunde ermöglichen.

Datenkommunikation mit Licht für die Supercomputer der Zukunft

Mit immer leistungsfähigeren Prozessoren steigen die Anforderungen an die Datenübertragung innerhalb eines Computersystems enorm. Für Supercomputer und Hochleistungsrechner wird daher am Einsatz optischer Datenkommunikationstechnologien geforscht. Die Datenübertragung mit Licht erlaubt weitaus höhere Übertragungsraten pro Verbindung. Zudem können optische Verbindungen sehr dicht gelegt werden, da es anders als bei den heute verwendeten Kupferverbindungen nicht zu störenden Wechselwirkungen kommt. Die Herausforderung besteht in der Integration der optischen Komponenten sowie in einer effizienten, zuverlässigen und möglichst verlustarmen elektro-optischen Umwandlung der Signale. Die von IBM Research gezeigten Lösungen sind in dieser Hinsicht wegweisend.