CMOS Integrated Silicon Nanophotonics

Neue IBM-Prozessoren unterhalten sich mit Lichtgeschwindigkeit

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Auf der Fachkonferenz Semicon in Tokio haben IBM-Forscher eine neuartige Chiptechnik vorgestellt, die elektrische und optische Bauelemente auf einem Siliziumstück integriert.
Die neuen IBM-Chips können Daten ultraschnell über Lichtimpulse austauschen.
Die neuen IBM-Chips können Daten ultraschnell über Lichtimpulse austauschen.
Foto: IBM Research

Dies ermöglicht nach Angaben von IBM die Datenkommunikation zwischen Prozessoren mit Lichtpulsen anstelle der heute üblichen elektrischen Signale. Die Forschungsleistung stellt aus Sicht von "Big Blue" einen wichtigen Schritt für die Entwicklung von noch kleineren, schnelleren und energieeffizienteren Computerchips jenseits der Grenzen konventioneller Techniken dar.

An der neue Technik "CMOS Integrated Silicon Nanophotonics" hat IBM Research zehn Jahre lang entwickelt, unter anderem in der Photonics-Forschungsgruppe des IBM-Forschungslabors in Rüschlikon. Sie übertreffe die mit den heutigen Herstellmethoden machbare Integrationsdichte von elektrischen und optischen Komponenten um das Zehnfache, 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 energieeffizienten Computersystemen mit Leistungen im Exaflop-Bereich", kommentiert T.C. Chen, Vice President, Science & Technology bei IBM Research.

Die aktuell vorgestellten Silizium-Nanophotonik lässt sich in heutigen Standard-CMOS-Produktionslinien hergestellen und erfordert keine speziellen Geräte; Transistoren lassen sich damit auf derselben Siliziumschicht wie die Nanophotonik-Komponenten einbetten. Das erreichten die IBM-Forscher durch die Entwicklung von integrierten, ultra-kompakten aktiven und passiven optischen Bauelementen mit kleinsten Abmessungen. Hierzu gehören etwa Modulatoren, Germanium-Photodektektoren oder winzige 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", erläutert Folkert Horst von der Photonics-Forschungsgruppe in Rüschlikon.

Ein einziger On-Chip-Transceiver-Kanal für die optische Datenkommunikation findet mit allen notwendigen elektrischen und optischen Komponenten und Schaltkreisen findet so auf nur 0,5 Quadratmillimeter Platz. Ein kompletter Single-Chip-Transceiver auf 4 mm² könnte damit laut IBM Übertragungsraten von mehr als einem Terabit pro Sekunde erzielen. Ein weiterer Vorteil der Nanophotonik: Optische Verbindungen können sehr dicht gelegt werden, da es anders als bei den heute verwendeten Kupferverbindungen nicht zu störenden Wechselwirkungen kommt. Die Herausforderung besteht auf der anderen Seite in der Integration der optischen Komponenten sowie in einer effizienten, zuverlässigen und möglichst verlustarmen elektro-optischen Umwandlung der Signale.