Der nächste Technologiesprung der Computerchip-Industrie besteht darin, Chips zu großen Netzwerken zu verknüpfen. Leistungsfähige Vernetzung einzelner Chips ist durch optische Technologie möglich. Aus diesem Paradigmenwechsel entsteht eine sehr große Marktchance für photonische Systeme – made in the EU.

Die 500-Milliarden-Euro-Halbleiterindustrie befindet sich derzeit in einer Übergangsphase und sucht nach neuen Technologien und Architekturen, um die Leistung von Computerchips weiter zu steigern. Flankiert von erheblichen geopolitischen Verwerfungen, ist auf dem Computermarkt eine exponentiell wachsende Nachfrage nach Informationsverarbeitung und Datenaustausch erkennbar. Gleichzeitig stößt die Chipindustrie bei der Herstellung immer schnellerer Mikroprozessoren auf große Hindernisse. Das zentrale Hindernis ist, dass die existierende Strategie der Verkleinerung immer näher an physikalische Grenzen kommt und letztlich enden wird. Auch die Investition vieler hundert Milliarden Euro ändert an diesem grundlegenden Zusammenhang nichts.

Ab einem bestimmten Punkt können Transistoren nicht mehr kleiner skaliert und dichter gepackt werden. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, ist die Verbindung mehrerer Chips. Damit steigt die Anzahl der Transistoren, was zu der gewünschten Leistungssteigerung führt. Das Problem dieser Strategie, die heute schon Anwendung findet, ist die beschränkte Bandbreite und Reichweite der elektrischen Verbindungen zwischen diesen Chips. Diese Randbedingungen bestimmen den Stromverbrauch und die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems.

Die Zukunft liegt in der Skalierung nach oben und nicht nach unten
Der Weg aus dieser technologisch-physikalischen Sackgasse basiert auf mehr als 10-jähriger Forschung und branchenführender Innovation durch die Mitarbeiter von Black Semiconductor. Anstelle weitere Milliarden Euro in die Verkleinerung von Transistoren zu investieren, mit dem Ziel deren Anzahl im System zu erhöhen, verfolgt Black Semiconductor das Ziel mehr Transistoren durch optische Vernetzung von Chips zu erreichen.

Durch optische Vernetzung von Chips zu Chip-Netzwerken entstehen Systeme, die grundsätzlich unabhängig von Miniaturisierungsproblemen der Transistoren sind. Damit wird eine Unabhängigkeit von dem etablierten, sehr kostenintensiven Vorgehen der Skalierung von Transistoren geschaffen. Technologisch entsteht ein Vorteil im Vergleich zu elektrischen Verbindungen, da durch optische Kommunikation viel größere Datenmengen über viel größere Distanzen transportiert werden können. Die hohe Bandbreite lässt die Grenzen der individuellen Chips verschwinden und formt ein großes Netzwerk unterschiedlicher Chips. Wegen der Glasfasertechnologie können Entfernungen von Metern oder Kilometern überbrückt werden, was zuvor mit der rein elektrischen Technik unmöglich war.

Auf diese Weise umgehen photonisch verbundene Chip-Netzwerke auf elegante Weise das Skalierungsproblem. Es spielt auch keine Rolle aus welcher Fertigungstechnologie die vernetzten Chips stammen. Damit können ältere Technologieknoten, die erheblich günstiger sind, für neue Zwecke eingesetzt werden. Chip-Netzwerke können, wegen der optischen Technologie, ohne Bandbreitenbeschränkung die Dimensionen von Computerracks oder sogar Rechenzentren annehmen. Sie eröffnen die Möglichkeit den Leistungsbedarf von Rechenzentren in den kommenden Jahrzehnten erheblich zu steigern. Anstatt zu verkleinern, geht es in Zukunft also darum, zu vergrößern!

Die Halbleiterindustrie versucht schon seit Jahrzehnten Photonik in bestehende elektronische Systeme zu integrieren, scheitert aber an der weitgehenden Inkompatibilität der Materialien. Black Semiconductor geht einen neuen Weg und öffnet über eine photonische Schicht, die auf elektronischen Chips hergestellt wird, die Tür zur optischen Vernetzung.

Möglich wird diese neue Technologie durch das Material Graphen, eine einzige Lage Kohlenstoffatome. Graphen hat optische Eigenschaften, die die bisher bekannten Materialien übertreffen, und ist mit bestehender Elektronik-Technologie kompatibel. Es kann wahlweise die neueste Elektronik-Technologie oder auch ältere Technologien, oder auch Speichertechnologie mit einer optischen Schnittstelle ausgestattet werden. Die Abhängigkeit von den extrem hohen Kosten für die Forschung und Herstellung kleinerer Chipstrukturen sowie der geringen Anzahl der weltweit verfügbaren Hersteller, die zudem nicht in Europa ansässig sind, wird reduziert unter Umständen auch aufgelöst.

Europa wieder zum Vorreiter der Halbleiterindustrie entwickeln
Der Markt für Chips mit einem potenziellen Bedarf an optischen Hochgeschwindigkeitsverbindungen wird auf mehrere hundert Milliarden Euro geschätzt und umfasst Anwendungsfälle im Bereich von Rechenzentren oder Automotive wie CPUs und GPUs beispielsweise für KI. Zukünftige Anwendungen im Bereich KI hängen kritisch davon ab, dass Technologien eingesetzt werden, die weit über die Leistungsfähigkeit der gegenwärtigen Technologie hinaus gehen.

Die Halbleiterindustrie ist auf der Suche nach Alternativen zum absehbaren Ende der Skalierung. Es ist klar erkennbar, dass neuartige Technologien und Architekturen der Weg zum nächsten Sprung in die Zukunft der Datenverarbeitung sind. Es ist auch klar, dass Licht im Vergleich zu elektrischen Verbindungen die weitaus leistungsfähigere Methode zur Übertragung von Daten ist.

Für Europa entsteht eine große strukturelle Chance, wenn grundlegende Veränderungen in der gesamten Halbleiterindustrie eintreten. Europa verfügt über starke Kapazitäten und Kompetenzen in der Forschung und Herstellung von Materialien und Anlagen. Photonische Technologien und das Material Graphen wurden und werden systematisch erforscht und Technologie entwickelt. Insgesamt entsteht so eine sehr gute Ausgangslage diese Grundlagen der Halbleitertechnologie weiter zu verbessern und die Kompetenzen auszubauen, und um darüber hinaus technologische Souveränität auch auf Fertigungsebene zu erreichen.

Der Paradigmenwechsel von der Verkleinerung der Transistoren hin zu photonischen Chip-Netzwerken bietet einen flexiblen Ansatz zur Leistungssteigerung. Dies wird zu einer hohen Nachfrage nach photonischen Systemen führen und die Forschung und Entwicklung sowie die Massenproduktion von Komponenten, die Lizenzierung von Produkten und Lösungen auslösen. Das Ergebnis ist ein Vorsprung in einer grundlegend neuartigen Chip-Technologie – made in the EU.

Über Black Semiconductor GmbH
Black Semiconductor ist ein wachsendes europäisches Halbleiterunternehmen, das photonische Systeme entwickelt, um die Leistung bestehender Technologien über die derzeitigen physikalischen Grenzen hinaus zu steigern.

Black Semiconductor GmbH

Photonische Basistechnologie

• neues Material Graphen
• eine Atomlage Kohlenstoff mit einzigartigen optischen Eigenschaften
• Halbleitertechnologie für integrierte Photonik auf Graphen angepasst
• Integration von Photonik und Elektronik

Anwendungsfelder / Märkte

• optische Chip-zu-Chip Kommunikation im Bereich Server
• Künstliche Intelligenz
• Automotive
• Quantum Computing

Impact

• Weniger Energiebedarf zur Übertragung von Daten = Effizienzsteigerung
• Steigerung der Leistungsfähigkeit durch neue Technologie
• Beitrag zur Unabhängigkeit der EU Chip Industrie

https://blacksemiconductor.de