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Speichern mit Licht

Eine ganz neue und sehr spannende Technologie stellen photonische Chips dar, auch Photonic Integrated Circuits (PICs) genannt. Sie basieren auf Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) und nutzen Licht, also Photonen, statt Elektronen, um Daten zu verarbeiten. Eine Methode besteht darin, Phasenwechsel-Materialien zu verwenden, deren optische Eigenschaften wie Brechungsindex oder Reflexionsvermögen sich durch kurze Lichtpulse ändern lassen. Ein Laserpuls kann das Material in einen amorphen oder kristallinen Zustand bringen, die den Werten 0 und 1 entsprechen. Ein schwacher Laserpuls kann den Zustand auslesen, ohne ihn zu verändern.

Eine weitere Methode nutzt optische Wellenleiter. Daten können durch die An- oder Abwesenheit von Lichtpulsen sowie durch die Phasenverschiebung der Lichtwelle kodiert werden. Speicherzellen könnten als optische Resonatoren oder Gitterstrukturen aufgebaut werden, die je nach Konfiguration Lichtwellen unterschiedlicher Frequenzen speichern oder reflektieren.

„Langfristig sehen wir sehr großes Potenzial darin, Licht statt elektrischer Signale zum Speichern von Daten zu verwenden“, erklärte Hasan Sheikh, Leiter Storage-Presales bei HPE Deutschland, gegenüber Storage-Insider. „Unsere Labs haben bereits demonstriert, wie ein ultra-energieeffizienter photonischer Speicher funktionieren kann. Im Zusammenspiel mit photonischem Computing öffnet sich damit übrigens auch die Perspektive, den so genannten Von-Neumann-Flaschenhals zu beseitigen.“

Für uns wichtig: Die Speicherung von Daten mit Licht fällt deutlich energieeffizienter aus, da keine ständige elektrische Spannung erforderlich ist, um den Speicherzustand aufrechtzuerhalten.

Die Forschungen dazu werden aber nicht nur von US-Konzernen wie HPE, sondern auch und nicht zuletzt in Deutschland vorangetrieben: Das in Stuttgart beheimatete Start-up Q.ant sitzt an einem entsprechenden Chip und produziert dafür alles selbst, vom Wafer mit eigenem patentierten Materialsystem bis hin zum Prozessor. Dieser muss keine aufwändigen Abstraktionen durchführen, denn er rechnet analog: „Wir berechnen mathematische Funktionen nativ, also direkt im Licht. Damit nutzen wir eine effizientere Mathematik, die weniger Datensätze benötigt,“ erklärte der CEO Michael Förtsch auf Anfrage. „Damit wiederum öffnen wir einen Weg zu rechenintensiverem Computing, das zudem skalierbar und nachhaltiger ist. Die Computerwelt verfügt nun über ein neues Werkzeug in ihrem Komponentensatz, das diese Aufgaben übernehmen wird.“

Die Technologie verspricht eine bis zu 30-mal höhere Energieeffizienz im Vergleich zu konventionellen Technologien. Bis in zwei Jahren soll sie laut Förtsch für die breite Anwenderschaft zur Verfügung stehen, zumal sie sich sehr einfach in heute bereits bestehenden Chip-Werke integrieren lasse.

Neben Q.ant sitzen weltweit einige weitere Unternehmen am Bau photonischer Chips, darunter das besagte HPE, aber auch Intel, Cisco, Huawei und IBM. Auch gibt es jede Menge Forschungseinrichtungen und -verbünde, etwa in Spanien, Holland oder den USA. In Deutschland ist neben Q.ant das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) in Sachen Photonik unterwegs. Es kooperiert auch mit Q.ant und hat bereits eine Pilotlinie für photonische KI-Prozessoren eingerichtet. Auch das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (HHI) ist in der Forschung und Entwicklung von PICs tätig.

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