01.12.2010, 12:06 Uhr
Lichtblick für CMOS-Chips
IBM hat eine Chiptechnik entwickelt, mit der Daten zwischen Prozessoren optisch übertragen werden können. Damit entstehen neue Leistungsklassen für Computer.
An der internationalen Fachkonferenz der Halbleiterindustrie SEMICON im japanischen Tokio stellen IBM Forscher eine neuartige Chiptechnik vor, die elektrische und optische Bauelemente auf demselben Siliziumchip integriert. Die Technik ermöglicht die Datenkommunikation zwischen Prozessoren mit Lichtpulsen anstelle der heute üblichen elektrischen Signale. Die Arbeit stellt einen wichtigen Schritt für die Entwicklung von noch kleineren, schnelleren und energie-effizienteren Computerchips jenseits der Grenzen konventioneller Techniken dar.
Die neue so genannte „CMOS Integrated Silicon Nanophotonics“-Technik ist das Resultat einer zehnjährigen Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet bei IBM Research, an der auch die Photonics-Forschungsgruppe des Schweizer IBM-Forschungslabors in Rüschlikon beteiligt ist.
Die patentierte IBM-Technik übertrifft 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 energie-effizienten Computersystemen mit Leistungen im Exaflop-Bereich“, sagt T.C. Chen, Vice President, Science & Technology bei IBM Research. Ein Exaflop sind eine Trillion Fliesskommaberechnungen pro Sekunde. Ein Exascale-Computer ist damit rund 1000-mal leistungsfähiger als der schnellste heutige Supercomputer.
Integrierbar in heutige CMOS-Herstellungsprozesse
Bedeutsam für die Anwendung der nun vorgestellten Silizium-Nanophotonik-Technik ist vor allem, dass sie in heutigen Standard-CMOS-Produktionslinien hergestellt werden kann und keine speziellen Geräte erfordert. Mit diesem Ansatz lassen sich Transistoren auch auf derselben Siliziumschicht wie die Nanophotonik-Komponenten einbetten. Möglich wurde dies durch die Entwicklung von integrierten, ultra-kompakten aktiven und passiven optischen Bauelementen mit kleinsten Abmessungen. Hierzu gehören etwa Modulatoren, Germanium-Photodektektoren oder ultra-kompakte Wellenlängen-Multiplexer. Letztere wurden am IBM-Labor in Rüschlikon entwickelt.
Die neue so genannte „CMOS Integrated Silicon Nanophotonics“-Technik ist das Resultat einer zehnjährigen Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet bei IBM Research, an der auch die Photonics-Forschungsgruppe des Schweizer IBM-Forschungslabors in Rüschlikon beteiligt ist.
Die patentierte IBM-Technik übertrifft 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 energie-effizienten Computersystemen mit Leistungen im Exaflop-Bereich“, sagt T.C. Chen, Vice President, Science & Technology bei IBM Research. Ein Exaflop sind eine Trillion Fliesskommaberechnungen pro Sekunde. Ein Exascale-Computer ist damit rund 1000-mal leistungsfähiger als der schnellste heutige Supercomputer.
Integrierbar in heutige CMOS-Herstellungsprozesse
Bedeutsam für die Anwendung der nun vorgestellten Silizium-Nanophotonik-Technik ist vor allem, dass sie in heutigen Standard-CMOS-Produktionslinien hergestellt werden kann und keine speziellen Geräte erfordert. Mit diesem Ansatz lassen sich Transistoren auch auf derselben Siliziumschicht wie die Nanophotonik-Komponenten einbetten. Möglich wurde dies durch die Entwicklung von integrierten, ultra-kompakten aktiven und passiven optischen Bauelementen mit kleinsten Abmessungen. Hierzu gehören etwa Modulatoren, Germanium-Photodektektoren oder ultra-kompakte Wellenlängen-Multiplexer. Letztere wurden am IBM-Labor in Rüschlikon 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“, erklärt Folkert Horst von der Photonics-Forschungsgruppe am IBM-Forschungslabor Zürich.
Ein einziger On-Chip-Transceiverkanal für die optische Datenkommunikation mit allen notwendigen elektrischen und optischen Komponenten und Schaltkreisen findet mit dieser Technik auf nur 0,5 Quadratmillimeter Platz. Ein gesamter Transceiver mit einer Grösse von vier mal vier Quadratmillimetern könnte so Übertragungsraten von mehr als einem Terabit-pro-Sekunde ermöglichen.
Datenkommunikation mit Licht für die Supercomputer der Zukunft
Mit immer leistungsfähigeren Prozessoren steigen die Anforderungen an die Datenübertragung innerhalb eines Computersystems enorm. Für Supercomputer und Hochleistungsrechner wird daher am Einsatz optischer Datenkommunikationstechniken geforscht. Die Datenübertragung mit Licht erlaubt weitaus höhere Übertragungsraten pro Verbindung. Zudem können optische Verbindungen sehr dicht gelegt werden, da es anders als bei den heute verwendeten Kupferverbindungen nicht zu störenden Wechselwirkungen kommt. Die Herausforderung besteht in der Integration der optischen Komponenten sowie in einer effizienten, zuverlässigen und möglichst verlustarmen elektro-optischen Umwandlung der Signale. Die von IBM Research gezeigten Lösungen sind in dieser Hinsicht wegweisend.
