Expertenbeitrag

 Thomas Joos

Thomas Joos

Freiberuflicher Autor und Journalist

Basics Was sind photonische Siliziumchips?

Von Thomas Joos

Die Miniaturisierung von herkömmlichen Computerchips hat ein Level erreicht, das kaum mehr unterboten werden kann. Photonische Siliziumchips setzen hier an und adressieren die aktuellen Probleme der Chip-Herstellung. Und: Deutschland ist in diesem Bereich mittlerweile führend.

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Effektive Chips für Quantencomputer aus Deutschland in greifbarer Nähe: Anders als bei herkömmlichen Chips übertragen photonische Siliziumchips Informationen über Lichtsignale.
Effektive Chips für Quantencomputer aus Deutschland in greifbarer Nähe: Anders als bei herkömmlichen Chips übertragen photonische Siliziumchips Informationen über Lichtsignale.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Im Jahr 1965 prognostizierte der US-Ingenieur Gordon Moore in seinem Mooreschen Gesetz, dass die Miniaturisierung von Computerchips exponentiell verlaufen wird. Dabei sollte sich die Anzahl der Transistoren auf Computerchips alle zwei Jahre verdoppeln. Im Großen und Ganzen hat das bis heute funktioniert. Die Miniaturisierung herkömmlicher Silizium-Chips hat sich mittlerweile so weit fortentwickelt, dass die Transistoren nur noch wenige Nanometer groß sind.

Eine weitere Miniaturisierung scheint mit etablierten Technologien jedoch kaum mehr möglich. Dazu kommt die Herausforderung, die Quantencomputer an Prozessoren stellen. Auch diese können mit herkömmlichen Chips kaum realisiert werden.

In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung und Verkleinerung von Chips deutlich verlangsamt, weil sich Transistoren mit aktuellen Technologien schlicht und ergreifend nicht mehr viel weiter verkleinern lassen. Der nächste deutliche Schrumpf-Schritt ist längst überfällig, wenn das Mooresche Gesetz weiter Bestand haben soll. Ein heißer Kandidat für den hierfür notwendigen Technologie-Sprung sind photonische Chips, die mit Licht arbeiten. Diese versprechen eine Lösung für viele aktuelle Probleme bei der Herstellung von Prozessoren.

Was sind photonische Siliziumchips?

Photonische Siliziumchips setzen bei der Datenübertragung nicht auf Elektronen und Leitungen, sondern auf Lichtimpulse, ähnlich wie Glasfaserleitungen. Dabei kommt weiter das Halbleitermaterial Silizium zum Einsatz, das in photonischen Chips zum Leuchtemitter werden soll. Die Datenübertragung auf solchen Chips erfolgt komplett mit Lichtsignalen. Das ist natürlich nicht nur schneller, sondern löst auch das Problem der notwendigen Miniaturisierung, da keine Elektronen mehr für die Datenübertragung genutzt werden, sondern Licht.

Das Problem an der Sache ist aber, dass sich Silizium nicht gut zum Leuchten bringen lässt. Das stellt Forschende vor Herausforderungen, die es zu lösen gilt. Durch seine Kristallstruktur ist Silizium schlicht und ergreifend kaum dazu in der Lage, Licht auszusenden. Es gibt seit einigen Jahren aber immer mehr Fortschritte in diesem Bereich, die auf einen bald verfügbaren Prototyp hinauslaufen – übrigens "Made in Germany".

Worin unterscheiden sich photonische Silizium-Chips von aktuellen Chips?

Der größte Unterschied zwischen herkömmlichen Chips und photonischen Chips besteht darin, dass für die Übertragung der Daten Lichtsignale anstatt Elektronen zum Einsatz kommen. Dadurch entsteht auch kaum Abwärme, sodass diese Chips nicht oder nur wenig gekühlt werden müssen. Die Chips arbeiten dazu mit einem Laser, der die Daten direkt auf dem Chip produziert. Hinzu kommt die komplette Unempfindlichkeit gegen Vibrationen. Die Chips lassen sich daher genauso leicht in herkömmlichen Rechenzentren betreiben, wie aktuelle, auf Silizium basierende Chips

Da Silizium selbst kaum Licht erzeugen kann, haben sich Forscher in der Vergangenheit damit beholfen, auf den Chips andere Materialien mit zu verbauen, die wiederum in der Lage sind Licht besser zu leiten. Beispiele dafür sind Indiumarsenid und Galliumarsenid. Diese hybriden Chips sind aber nicht das gewünschte Endergebnis. Besser ist es, die Kristallstruktur von Silizium so zu ändern, dass das Material auch ohne Zusatzstoffe in der Lage ist, Licht zu leiten.

Einem Team der Technischen Universität Eindhoven und der Technischen Universität München ist es in den letzten Jahren bereits gelungen, eine Legierung aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren kann. Professor Erik Bakkers und sein Team haben es bereits 2015 geschafft, Silizium hexagonal anzuordnen. Mittlerweile kann diese Struktur auch zum Leuchten gebracht werden. Das Unternehmen Qant hat wiederum bereits eine Technologie im Portfolio, mit der sich photonische Silizium-Chips produzieren lassen.

Was ist der aktuelle Stand der Forschung? Bereits 2022 geht die Produktion los

Das durch das Bundesforschungsministerium und den Maschinenbauer Trumpf unterstützte Startup Qant hat ein Photonik-Verfahren entwickelt, mit dem sich Lichtkanäle auf Silizium-Chips unterbringen lassen. Dadurch werden reine photonische Siliziumchips Realität und lassen sich auch ohne hybride Konstruktionen umsetzen.

Das Verfahren von Qant steht kurz vor dem Prototyp-Status und bietet auch die Möglichkeit, Quanten bei Raumtemperatur verlustfrei zu führen, steuern und zu kontrollieren. Es ist also weder aufwendige Kühlung noch eine besondere Forschungseinrichtung notwendig, um diese Chips zu nutzen. Gleichzeitig sind die Chips auch ideal für Quantencomputer einsetzbar und eignen sich hierfür besser als die meisten anderen Technologien der letzten Jahre.

Die Herstellung der photonischen Chips erfolgt auf ähnlichem Weg, wie die Produktion bereits etablierter Silizium-Chips. Chiphersteller können daher sehr schnell auf die neue Technologie umstellen. Qant will seine Quantencomputer-Prozessoren bereits im Juni 2022 so weit haben, dass sie Quanten erzeugen, führen und manipulieren können. Die Produktion der ersten Prototypen steht ebenfalls kurz bevor. In den nächsten fünf Jahren soll der erste produktionsreife Quanten-Prozessor auf Basis photonischer Siliziumchips entstehen. An dem Projekt arbeiten 14 Partner aus Forschung und Industrie zusammen:

  • Qant GmbH
  • Paderborn University (UPB)
  • Westfälische Wilhelms-Universität Münster
  • Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering
  • Friedrich-Schiller-Universität Jena
  • Ulm University
  • HQS Quantum Simulations GmbH
  • Humboldt-Universität zu Berlin
  • Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems
  • Swabian Instruments GmbH
  • TEM Messtechnik GmbH
  • Ficontec Service GmbH
  • Freie Universität Berlin
  • Menlo Systems GmbH

Alle Partner bringen unterschiedliches Know-how mit ein. Sie eint der Fokus, Quantencomputer und photonische Siliziumchips in der Industrie zu etablieren.

Was verbindet photonische Siliziumchips mit Quantencomputern?

Photonische Siliziumchips sind eine wichtige Basis für Quantencomputer. Mit dieser Technik können auch bereits etablierte Großrechner mit Prozessoren erweitert werden, die mit Quantentechnologie arbeiten. Das bringt die Entwicklung reiner Quantencomputer natürlich deutlich voran. Quantencomputer können mit photonischen Siliziumchips die Rechenleistung erreichen, die sie brauchen. Das Herstellungsverfahren ist im Vergleich zu anderen Plattformen für Quantencomputer sehr viel einfacher und ermöglicht gleichzeitig die Erzeugung von vielen Quantenbits, auch Qubits genannt.

Die neue Technologie zum Herstellen von photonischen Siliziumchips ermöglicht den Betrieb von Quantencomputer-Chips in aktuellen Rechenzentren, bei sofortigem produktivem Nutzen. Die Chips bieten den Vorteil, nicht besonders gekühlt werden zu müssen. Außerdem sind die Chips unempfindlich gegen Vibrationen. Da sich dadurch auch in herkömmlichen Rechenzentren Quantencomputer einbinden lassen, wird eine schnelle Verbreitung der Technologie erwartet.

Wann gibt es erste Chips auf Photonenbasis?

Bereits bis Ende 2022 will Qant die Anzahl seiner Mitarbeiter von 20 auf 120 vervielfachen und zusammen mit Partnern aus der Industrie und Chipherstellern in die Produktion gehen. Die Produktion der Chips soll im Trumpf-Sitz in Ulm beginnen. Hier betreibt das Mutterunternehmen bereits entsprechende Infrastruktur, die sich leicht an die Produktion von photonischen Siliziumchips anpassen lässt. Dazu kommt das Know-how von Trumpf im Bereich der Halbleiterproduktion. Unterstützt wird das Projekt auch durch das Bundesforschungsministerium. Bis 2028 sollen erste produktionsreife Quantencomputer-Prozessoren auf Basis von photonischen Siliziumchips verfügbar sein.

Die ersten Einsatzgebiete von photonischen Siliziumchips

Anwendungsfelder für photonische Siliziumchips liegen vor allem in den Bereichen Chemie, Biomedizin und auch in der Materialwirtschaft. Aber auch in den Bereichen Klima und Energie wird dringend mehr Rechenpower benötigt. Große Rechenzentren profitieren von den Chips ebenfalls, da sich dadurch die Kosten für Kühlung deutlich reduzieren lassen.

Quantencomputerchips auf Basis photonischer Siliziumchips können in ganz gewöhnlichen Rechenzentren schnell einsatzbereit sein. Das ist ein Novum in der Entwicklung der Quantencomputer, denn bisher waren dafür besondere Voraussetzungen notwendig, die sich in den meisten Rechenzentren nicht ohne weiteres umsetzen lassen.

KI und Cloudcomputing profitieren von photonischen Siliziumchips

Durch schnellere und robustere Chips profitieren natürlich auch KI-Anwendungen und das Cloudcomputing. Ressourcen lassen sich schneller bereitstellen, gleichzeitig sinkt der Kühlbedarf. Hier lassen sich in großen Rechenzentren entsprechend hohe Kosten einsparen, was gleichzeitig die Energiewende unterstützen kann. Die neuen Chips sind schnell einsatzbereit und lassen sich mit bereits etablierter Hardware kombinieren. Dazu kommt die hohe Rechenleistung, die vor allem in KI-/ML-Szenarien und auch in Cloud-Infrastrukturen dringend benötigt wird.

Darum profitiert die Industrie von photonischen Siliziumchips

Photonische Siliziumchips sind nach einhelliger Meinung der meisten Experten der „heilige Gral“ für die Chip-Herstellung. Die Chips sind schnell, leicht zu kühlen, unempfindlich gegen Vibrationen und in kurzer Zeit einsatzbereit. Sie sind ideal für den Einsatz in Quantencomputern. Übernehmen diese Chips die Steuerung von Produktionsmaschinen, lassen sich sehr viel mehr Vorgänge automatisieren und gleichzeitig sehr viel günstiger umsetzen. Im Fokus von Qant steht daher zunächst der industrielle Einsatz von Quantencomputern auf Basis dieser Chips.

Die Zukunft ist photonisch

Photonische Siliziumchips sind der nächste, wichtige Schritt in der Entwicklung von produktionsreifen Quantencomputern. Die Forschung hat sich in den letzten Jahren deutlich in diese Richtung entwickelt und viele Unternehmen aus zahlreichen Ländern arbeiten an der Technologie. Die photonischen Siliziumchips sind der nächste Technologiesprung für die Industrie 4.0. Zusammen mit Quantencomputern ergeben sich zahlreiche neue Einsatzgebiete, bei gleichzeitig sinkendem Energiebedarf. Der CO2-Fussabdruck von Rechenzentren lässt sich dadurch erheblich reduzieren.

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