Wenn Sie Partnerlinks in unseren Inhalten folgen, erhalten wir möglicherweise eine Provision. Dabei entstehen Ihnen keine zusätzliche Kosten. Wir zeigen transparent, wie 
Der Übergang von der Elektronik zur Photonik wird voraussichtlich die nächste digitale Grenze und Norm der Zukunft sein.
Von Netzwerken bis hin zu 6G und Chip-to-Chip-Kommunikation – die Photonik ist die Lösung für leistungsfähigere, energieeffiziente Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit.
Intel, Sony, NTT und zahllose andere Unternehmen und Start-ups entwickeln neue Photonik-Technologien, die die Verwendung von Chips und Netzwerken revolutionieren werden.
Die Datenverarbeitung hat heute noch einige Engpässe zu überwinden. So können Elektronen nur mit einer bestimmten Höchstgeschwindigkeit Daten hin- und hersenden.
Aber auch wenn der Name es nicht verrät: Photonik nutzt Licht – und das ist das Geheimnis.
Techopedia sprach mit Dr. Bardia Pezeshki, CEO und Vorstandsmitglied von Avicena.
Das Unternehmen mit Sitz in Sunnyvale, Kalifornien, ist ein Hersteller von Halbleitern mit hoher Bandbreite und eines der Firmen, die die Chip-zu-Chip-Kommunikation und Konnektivität mit ultraschnellen µLEDs oder Mikro-LEDs erforschen.
Wichtigste Erkenntnisse
- Dank der Nutzung der Kraft des Lichts bietet die Photonik gegenüber der herkömmlichen Elektronik erhebliche Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Effizienz und Datenübertragungskapazität.
- Damit die Grenzen der derzeitigen Computing-Architekturen überwunden werden können, ist die Photonik von entscheidender Bedeutung, insbesondere in Bereichen wie der KI und dem Hochleistungscomputing.
- Zur vollen Ausschöpfung des Potenzials der Photonik ist die Zusammenarbeit zwischen Tech-Giganten, Start-ups und Forschungseinrichtungen für die Entwicklung von Standards und die Bewältigung technischer Hürden unerlässlich.
- Die breite Einführung der Photonik wird verschiedene Branchen revolutionieren, von Rechenzentren bis zum Gesundheitswesen, da sie beispiellose Fortschritte in Technologie und Leistung ermöglicht.
Herausforderungen im Computing: Energie, Verarbeitungsleistung und geringe Latenzzeit
Während künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) an Fahrt gewinnen und Unternehmen wie NVIDIA immer leistungsfähigere Chips auf den Markt bringen und andere wie Intel und Huawei alles daran setzen, um im Wettbewerb zu bestehen, bleibt ein großes Problem ungelöst:
KI und ML verarbeiten mehr Daten als je zuvor, können hohe Latenzzeiten verursachen und treiben den Energieverbrauch von Rechenzentren auf ein Allzeithoch.
Verschiedene Studien sagen einen erheblichen Anstieg des Energieverbrauchs durch KI voraus.
Laut Goldman Sachs wird die Technologie den Strombedarf von Rechenzentren voraussichtlich um 160 % erhöhen.
Pezeshki von Avicena erklärte, dass man schon seit Jahrzehnten ICs mit Photonik verbinden wolle:
„Der Grund dafür ist, dass Photonen Informationen viel besser transportieren können als Elektronen. Sie interagieren nicht miteinander und es gibt keinen elektrischen Widerstand und keine Kapazität.“
„Chips, die mit dem Licht sprechen”
Das Potenzial der Photonik – Intel hat in den letzten Jahrzehnten Milliarden von Dollar in Silizium-Photonik und optische Technologien investiert – hat inzwischen die Aufmerksamkeit der meisten großen Technologieunternehmen auf sich gezogen, von Lockheed Martin über IAG Capital Partners und Hewlett Packard Enterprises bis hin zu NVIDIA, wie erwähnt.
Die Photonentechnologie befindet sich jedoch noch in der Entwicklung und steht vor vielen Hindernissen. Pezeshki schlüsselt sie für uns auf.
„Das Problem der Datenübertragung auf und von Chips ist der größte Engpass in der Elektronik. Fast alle fortschrittlichen Chips sind in der Ein-/Ausgabe (E/A) beschränkt, und diese Beschränkung ist bei KI-ähnlichen Konfigurationen am akutesten, bei denen GPUs über ein Netzwerk von Schaltern parallel arbeiten müssen.”
Pezeshki erklärte, dass das Hauptproblem für Photonik-Chips darin besteht, dass Silizium grundsätzlich kein gutes optisches Material ist und nicht mit photonischen Standardlasern kompatibel ist.
„Es ist wirklich zu teuer und kompliziert, Chips, die nur einen Meter oder so weit voneinander entfernt sind, mit Standard-Glasfasertechnik zu verbinden.”
Die Lösung von Avicena? Die Verwendung von LEDs und Displaytechnologie, um „Chips mit Licht sprechen“ zu lassen.
„Wir setzen im Grunde ein kleines Mikro-LED-Display und eine Kamera auf Chips und lassen die Chips einander „anschauen“, um Daten über so etwas wie bildgebende Fasern auszutauschen.”
Für den Einsatz mit Chips sind die microLED-Displays von Avicena einfacher als normale Displays – 1000 Pixel einer einzigen Farbe gegenüber Millionen von RGB.
Aber mit der Einfachheit gewann Avicena an Hochgeschwindigkeitsleistung – viele GB/s im Vergleich zur Bildrate eines normalen Displays.
„Die von uns verwendeten Display- und Kameratechnologien sind mit ziemlich allen CMOS-Technologien (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) kompatibel (die Grundlage für die meisten modernen elektronischen Geräte).”
Langstrecken-Photonik vs. Kurzstrecken-Kommunikation
NTT hat bereits bewiesen, dass photonische Netze und die Übertragung riesiger Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit und geringer Latenzzeit möglich sind.
Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von NTT sieht in der Photonik eine natürliche Entwicklung, die unendlich viele Anwendungen haben wird: von ferngesteuerten, fortschrittlichen, robotergestützten medizinischen Verfahren und Operationen in Echtzeit bis hin zu digitalen Zwillingen, intelligenten Autos und intelligenten Städten sowie KI-Daten über Netzwerke.
Die Verwendung von Photonik zur Datenübertragung über große Entfernungen ist jedoch eine Sache, und Chips über sehr kurze Entfernungen innerhalb der Hardware zum „Sprechen“ zu bringen, ist eine andere.
Pezeshki glaubt nicht nur, dass dies möglich ist, sondern behauptet auch, dass sein Unternehmen daran arbeitet, diesen Meilenstein zu erreichen.
„Unser Ziel ist es, den jahrzehntelangen Traum von photonischen Verbindungen zwischen Chips zu verwirklichen.“
Worin unterscheidet sich die Technologie von Avicena von anderen, die denselben Weg eingeschlagen haben, es versucht haben, aber gescheitert sind?
Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ist ihr LED-basierter Ansatz viel energieeffizienter als Kupfer oder Laser. Außerdem ist er viel paralleler – man denke nur an superbreite Datenbusse, die direkt mit dem natürlichen Informationsfluss auf Chips verbunden sind.
„Es besteht keine Notwendigkeit, die Daten mit sehr hohen Geschwindigkeiten pro Spur zu serialisieren, was noch mehr Strom verbraucht und die Datenübertragung verzögert“, so Pezeshki.
Da KI-Cluster mit Datenherausforderungen konfrontiert sind und immer hungriger werden, erklärt er, ermöglichen optische Schnittstellen auf Speicherchips und in den GPUs jedem Prozessor den Zugriff auf mehr Speicher und vielen Prozessoren die gemeinsame Nutzung eines großen Speicherpools.
Use Cases und Anwendungen: Photonik in der Praxis
Die photonische Chip-zu-Chip-Kommunikation könnte einen gewaltigen Wandel in der Computing-Architektur bedeuten.
Mit dieser Technologie, die sich die Geschwindigkeit und Effizienz von Licht zunutze macht, werden die grundlegenden Beschränkungen der herkömmlichen elektrischen Verbindungen überwunden.
Anstatt sich auf Kupferleitungen zu verlassen, übertragen photonische Chips Daten zwischen Prozessoren, Speichereinheiten und anderen Komponenten mit Hilfe von Licht.
Pezeshki sprach darüber, warum Verbindungen genauso wichtig sein können wie Prozessoren.
„Das große Ganze – Rechenleistung entsteht nicht nur durch schnelle Prozessoren und Speicher, sondern auch durch die Dichte der Verbindungen zwischen den Prozessoren.“
„Wenn man zur Photonik übergeht, insbesondere bei einer parallelen Konfiguration mit vielen Lanes, und die Informationen vertikal von den Chips fließen, löst man das Problem frontal.“
Die Umstellung globaler Hardware auf die Unterstützung der Photonik ist eine gewaltige Aufgabe. Laut Pezeshki arbeitet Avicena an einem möglichst nahtlosen Übergang.
„Es ist eine große Sache für Nvidia oder Intel, einen neuen Prozessor mit einer optischen Schnittstelle zu entwickeln“, sagte Pezeshki. „Es ist wichtig, einen schrittweisen Fahrplan für diesen Übergang zu erstellen.“
„Wir produzieren standardkonforme optische Kabel, die elektrische Kabel ersetzen können, sowie auf der Platine montierte Optiken, die kein Redesign der GPU erfordern.“
In dem Maße, in dem sich diese optischen Lösungen in der Praxis bewähren, wird es für die Chipdesigner immer einfacher, die Optik näher an den IC zu bringen.
Letztendlich kann unsere Technologie natürlich in die Prozessor- und Speicherchips selbst integriert werden, wodurch die Schnittstellenverpackung und die ICs entfallen.
Fazit
Der Übergang von Elektronik zu Photonik wird die Computing-Architektur revolutionieren, und zwar auf eine Art und Weise, die manche als unerwartete Veränderung ansehen mögen.
Innovationen, die in Form von Software und Code kommen, unterscheiden sich stark von denen, die auf der Hardware-Ebene ankommen.
Die Umstellung von Elektronik und Kupferkabeln auf direkte optische Chip-to-Chip-Kabel ist eine Herausforderung.
Die Standardisierung in der gesamten Branche, Lieferketten- und Logistikprobleme sowie eine umfassende Akzeptanz seitens der Industrie sind alles Faktoren, die für eine erfolgreiche Einführung der Photonik erforderlich sind.
Unternehmen wie Avicena, die konforme, innovative Lösungen entwickeln, sind jedoch nicht allein. Von Intel bis NTT und allen großen Technologiekonzernen steht die Photonik auf ihrer Agenda. Der Grund dafür ist einfach.
Um weiter in die Zukunft der Technologie vorzudringen, braucht die Welt eine schnellere und effizientere Verarbeitung und Übertragung, aber auch dichtere Verbindungen, die eine gleichzeitige Kommunikation ermöglichen. All das und mehr bieten Photonik und Licht.
