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28.07.10 16:13 Alter: 11 Jahre
Kategorie: Sensorik, Office Connectivity, Top-News, Unternehmens-News, Glasfaser, Strukturierte Verkabelung
Von: Arno Kral / Nina Eichinger

Intel gelingt Durchbruch bei preiswerter Licht-Kommunikation

Silizium-Prozesstechnik für Hybrid-Laser und Fotodioden schafft billige Glasfaser-Links bis in den Terabit-Bereich


50-Gigabit-Photonic-Chis von Intel.

50-Gigabit-Photonic-Chis von Intel.

Dr. Mario Paniccia

Dr. Mario Paniccia

50-Gigabit-Multiplexer

50-Gigabit-Multiplexer

50-Gigabit-Demultiplexer

50-Gigabit-Demultiplexer

Bandbreite für Laser und Photodiode

Bandbreite für Laser und Photodiode

Bandbreiten-Bedarf hochauflösender Displays

Bandbreiten-Bedarf hochauflösender Displays

Skalierungs-Potenzial für Intels Hybrid-Laser-Technik

Skalierungs-Potenzial für Intels Hybrid-Laser-Technik

München/SantaClara, USA – Die vornehmlich als Hersteller von Computer-Chips bekannte Firma Intel setzt massiv auf Photonik, also die Integration von Licht und Elektronik. Ziel ist es, die Kommunikation zwischen Rechner-Komponenten wie CPU, Speicher oder Bildschirm sowie zwischen Servern drastisch zu beschleunigen. Die Signalübertragung über Kupferleitungen wird jedoch jenseits von 10 Gigabit pro Sekunde zum elektrischen Albtraum: Zu hoch die Verlustleistung, zu diffizil die Anforderungen an Kabel und Steckverbinder. Abhilfe schafft die Datenübertragung mit Licht, wie sie in den Telekommunikations-Netzen schon seit Jahrzehnten gang und gäbe, aber alles andere als preiswert ist. Denn hohe Bandbreiten über große Entfernungen lassen sich nur mit Lasern als Lichtquellen sowie hinreichend schnellen Modulatoren und Photodetektoren erzielen. Solche Komponenten aber sind in der Regel nicht mit Silizium zu machen und damit teuer. 

Integrierte Hybrid-Laser für Massenfertigung

Nun ist Intel der Durchbruch gelungen, Photonik und bewährte Silizium-Prozess- und Fertigungstechnik miteinander zu vereinen: Zur Erzeugung von Laserlicht aus elektrischem Strom muss auch Intel Indium-Phosphid verwenden, kann dieses Halbleitermaterial nun jedoch direkt auf Silizuim-Strukturen aufbringen (Hybrid-Silizium-Laser), die selbst so gestaltet sind, dass sie zum einen als Laser-Resonator und zum anderen als Lichtwellenleiter und zum dritten als Modulator (Shutter) dienen. Mehr noch: Durch das Ätzen von Beugungsgittern mit genau definierter Gitterkonstante kann Intel durch Bragg-Beugung die Wellenlänge des Laserlichts sehr präzise einstellen und spart sich die sonst nötigen Laser-Resonator-Spiegel. Mit bewährter Silizium-Prozesstechnik kann Intel außerdem mehrere solche Laser im gleichen Arbeitsschritt und damit sehr preiswert unmittelbar nebeneinander auf einem einzigen Chip anordnen und das vom jeweiligen Einzel-Laser emittierte Licht durch ebenfalls in den Silizium-Träger geäzte Lichtwellenleiter punktgenau in eine Glasfaser einkoppeln. Die zwischen Laser und Lichtwellenleiter angeordneten, elektrisch angesteuerten Shutter modulieren das Laserlicht (ein/aus) und ermöglichen damit die Übermittlung digitaler Daten. Die Wellenlänge liegt übrigens im nahen Infrarot-Bereich: Silizium-Oxid ist für sichtbares Licht undurchsichtig.  

Nun braucht es für die Datenübertragung außer Sender (Hybrid-Laser) und Übertragungsmedium (Glasfaser) auch noch einen Empfänger, der die Lichtimpulse wieder in elektrische Signale zurück wandelt. Eine solche Photodiode muss hinreichend empfindlich (und rausch-arm) sein, damit sie selbst kleinste Lichtmengen noch sauber detektieren kann. Und gleichzeitig muss sie schnell sein, um hohe Datenübertragungsraten zu erzielen. Auch dieses Problem hat Intel erfolgreich auf Silizium-Basis gelöst. Die hauseigene Avalanche Photo Diode (APD) arbeitet zwar, wie für empfindliche Lichtdetektoren üblich, mit Germanium, lässt sich zuhauf und damit preiswert auf Silizium-Chips aufbauen. Mehr noch: Der De-Multiplexer, der verschiedenen Wellenlängen der eingehenden Lichtimpulse auf verschiedene Photodioden lenkt, ist ebenfalls sehr preiswert in bewährter Silizium-Prozesstechnik herstellbar.    

In der Summe stellt die am 27. Juli 2010 vorgestellte Technik des Intel-Labors in Israel einen echten Meilenstein für die photonische Kommunikation dar. Sie erzielt 50 GBit/s, ausreichend, um in weniger als einer Sekunde etwa einen HD-Film von iTunes zu laden, 100 Stunden Digitalmusik oder 1000 hochaufgelöste Bilder zu übertragen. Doch die  neue Technik ist nicht nur preiswert (weil mit bekannten und erprobten Prozessen realisiert), sondern auch skalierbar: Die jetzt vorgestellten Hybrid-Laser-Prototypen erreichen eine Bandbreite von 12,5 Gigabit pro Sekunde, und weil vier davon auf einem Chip integriert sind, erzielt das System eine kumulierte Übertragungsleistung von 50 GBit/s. Nun lässt sich zum einen durch Verfeinern der Prozesstechnik ohne nennenswerte Änderungen am Gesamtsystem die Geschwindigkeit pro Laser auf 25 GBit/s und später sogar 40 GBit/s steigern, zum anderen die Zahl der Laser pro Chip von 4 auf 8, 16 oder gar 32 Stück erweitern, weil die integrierte Silizium-Gitter-Technik für sehr schmalbandiges Laserlicht von nur einigen zehn Nanometern sorgt. So ergibt sich ein klarer Entwicklungspfad von heute 50 auf 100, 400 bis hin zu 1000 GBit/s – und das mit Lasern, die lediglich 3 bis 9 Milliwatt Lichtleistung produzieren. 

Wozu der Aufwand?

Doch wer braucht ein Terabit pro Sekunde? Nun – in erster Linie wohl Intel selbst, denn der Weg zu immer schnelleren und gleichzeitig energieeffizienteren Rechnern erfordert eine Abkehr von elektrischer Signalübertragung. Mit  Photonik-Links ließen sich beispielsweise CPU(s) und Arbeitsspeicher an getrennten Orten unterbringen, oder Diaplays der übernächsten Generation ansteuern: Schon heute erfordert ein 3D-fähiges Full-HD-Display bei 1080p räumlicher, 48 Bit farblicher und 120 Hertz zeitlicher Auflösung eine Datenrate von knapp 12 GBit/s (11,94). Morgen werden es für Quad-HD mit 2160 progressiv dargestellten Zeilen fast 50 GBit/s (47,78) sein, und in der Zukunft steigert Ultra-High-Definition mit 4320p, 30 Bit pro Pixel und 60 Bildern pro Sekunde den Bandbreitenbedarf auf 60 GBit/s. Für EIN Gerät. 

Andererseits lassen sich mit Photonik-Links mehrere Prozessor-Baugruppen miteinander verbinden (Board-Board-Multiprocessing) oder sogar Signale innerhalb von Platinen durch integrierte Lichtleiter übertragen. An ein Heimnetz auf Basis von Polymer-Optischen Faser (POF) denkt Intel aber derzeit nicht: Das mag daran liegen, dass das die Hybrid-Laser Licht mit Wellenlängen um 1300 Nanometer, also im nahen Infrarot-Bereich, erzeugen, für die aus Polymethylmethacrylat (PMMA gefertigten POFn ziemlich undurchsichtig sind oder dass der Austrittswinkel des Laserlichts aus dem Hybrid-Laser-Array nicht zur fast millimeterdicken Polymerfaser passt.

Die Antwort auf die POF-Frage konnte Tom's Networking mit im Telefon-Interview mit Dr. Mario Paniccia in Erfahrung bringen. Auf die Frage, wann die neue Datenübertragungstechnik marktreif sei, antwortete er als Wissenschaftler in Intels Diensten ausweichend: "Das hier ist ein Forschungsprojekt. Produktankündigungen sind Sache der Business Unit." Die wolle sich nicht genauer als auf "unter zehn Jahre" festlegen, er aber halte aber einen Zeitraum von drei bis fünf Jahre für realistisch. 

Auf keinen Fall sei der neue Photonik-Link für den klassischen Bereich der Telekommunikation gedacht, und auch andere Connectivity-Lösungen wie die hauseigene "LightPeak" Technik solle nicht verdrängt werden (Lightpeak soll ebenfalls infrarot-optisch 10 bis 100 GBit/s durch- und USB 3.0 ersetzen), sondern ziele zunächst bevorzugt in Richtung auf Rechenzentren oder Orte hohen Transfer-Bedarfs: So fielen in Kernspin-Tomographen Petabytes (Millionen Gigabygtes) an Daten an. 

Seiner Ansicht nach werde das Haupteinsatzgebiet wohl in neuen, energieeffizienten Server-Architekturen liegen, wie sie für die Rechenzentren der Zukunft entworfen würden. Durch die physikalische Trennung von Prozessoren, Speicher und Display und den Ersatz des elektrischen Datenverkehrs falle deutlich weniger Wärme an, was die Systemkosten erheblich reduziere. Ob die neue Technik zunächst im Consumer- oder im Professional-Markt eingesetzt werde, hänge zurzeit davon ab, welche Business Unit bei Intel man frage.

Fest steht: Intel ist mit der Integration von Lasern in die gut beherrschte Silizium-Prozesstechnik ein technischer Leckerbissen geglückt, noch vielen auf  der Zunge zergehen wird. Denn mit dem zu erwartenden Preisrutsch werden  optische High-Speed-Links künftig an Stellen auftauchen, an denen sie vorher schlicht zu teuer waren. Das hatte schon einmal gut funktioniert, als Intel ins Fast-Ethernet-Geschäft eingestiegen war. Die preiswerten, hoch integrierten Intel-NICs hatten zur massenhaften Verbreitung von schnellen zunächst Büro- und später Heim- Netzwerken geführt (wenngleich zu Lasten des Gros weniger effizient fertigender Ethernet-Chips-Hersteller).


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