Definition

Was ist Photonik?

| Autor / Redakteur: Walter Schadhauser / Tina Billo

Intel arbeitet seit vielen Jahren an der Kombination von photonischen Schaltkreisen mit Silizium-Chips.
Intel arbeitet seit vielen Jahren an der Kombination von photonischen Schaltkreisen mit Silizium-Chips. (Bild: Intel)

100 MBit pro Sekunde über ein Telefonkabel ist nicht schlecht. 100 GBit/s über speziell geschirmte Kupferkabel ist besser. Doch die Übertragung über Glasfaserleitungen bietet Terabit-Geschwindigkeiten pro Sekunde. Die Photonik selbst beschäftigt sich mit der Erzeugung von Licht und wie man mit der Übertragung von Photonen gigantische Datenmengen übertragen kann.

Der Kommunikationsbedarf zwischen Menschen wie auch bei der Mensch-Maschine-Interaktion steigt beständig. Mit zunehmender Detailtiefe wie zum Beispiel beim Streaming von Videoinhalten in 4K- und 8K-Auflösung oder der Analyse von großen Datenmengen wird eine größere Bandbreite benötigt, um die wachsende Datenmenge eines "Objektes" im selben Zeitrahmen von der Quelle zum Ziel zu übertragen.

Ein Teil der größeren Datenmenge kann durch Optimierungen bei der Antwortzeit (Latenz) oder effizientere Codierverfahren abgefangen werden. Sofern der Bedarf an Big-Data-Analytik oder bei der künstlichen Intelligenz (KI) steigen wird, sind viele Änderungen an der klassischen Rechner-Hardware erforderlich.

Das 67-Prozent-Potenzial überschreiten

Was bedeutet das für die zukünftige Rechner- und Speichertechnik? Limitierende Faktoren der klassischen Rechnertechnik sind die Signalübertragung in Kupfer, die Schnittstellen für Erweiterungskarten und nicht zuletzt die DMI-Schnittstelle zwischen Prozessor und Chipsatz, über die USB, Netzwerkkarten und Festplatten wie auch SSDs angeschlossen werden.

Während die DMI-Schnittstelle nur 4 GByte pro Sekunde übertragen kann, so sind es bei der PCIe-Schnittstelle in der Version 3.0 bei üblicherweise 16 Lanes 16 GByte/s, in der Version 4.0 die doppelte Datenmenge. Die zukünftige PCIe-Version 5.0 könnte diese Geschwindigkeit unter sehr speziellen Bedingungen wahrscheinlich ein weiteres Mal auf 64 GByte/s verdoppeln.

Auch die Signalübertragung über kupferkaschierte Leiterplatten hat physikalische Grenzen. Diese liegen bei circa 67 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, also rund 200.00 km/s. Oder, wenn man eine Signalperiode von einer Nanosekunde nicht überschreiten will, dann sollte ein "Kupfer-Rechner" maximal 20 Zentimeter im Durchmesser messen. Mit einer Kommunikation in Lichtgeschwindigkeit könnte der Radius 5 Zentimeter größer sein. Wie beim Moore'schen Gesetz zeigen sich also weitere physikalische Grenzen für die Optimierung der klassischen Rechnertechnik.

Hybrid-Schaltkreise sind der erste Schritt

Als Schritt in die Zukunft wird die Übertragung von Daten mit Licht gesehen. Ein größeres, aber nicht unlösbares Problem scheint die Umsetzung elektrischer Signale in photonische Schaltkreise darzustellen. Diese Technik wird ebenfalls für Quantenrechner benötigt, nach denen aktuell mit großer Energie geforscht wird. Die Benutzung optoelektronischer Komponenten im Rechner wird sicherlich auch eine Fähigkeit nutzen können, die heute noch mit vielen parallelen Leitungen realisiert werden muss. Bei PCIe werden bis zu 32 Leitungspaare (Lanes) eingesetzt, um auf diesen parallelen Übertragungsleitungen die benötigte Bandbreite zu erzielen.

Bei Lichtleitern lassen sich diese parallelen Leitungspaare durch dichte Wellenlängenmultiplex-Technik ersetzen (DWDM). Hier substituieren Farben die einzelne Leitungspaare. Bis zu 160 unterschiedliche Wellenlängen lassen sich heutzutage schon ausfiltern. Physiknobelpreisträger Theodor Hänsch hat schon vor vielen Jahren den Frequenzkamm, ein optisches Bauteil, erfunden, der Laserdioden auf eine Frequenz festlegt. Theoretisch sind damit wesentlich mehr Farben unterscheidbar, die sich gleichzeitig über Lichtwellenleiter übertragen und auseinanderhalten lassen. Schwierig gestaltet es sich derzeit noch, alle Farben gleichzeitig und mit optischen Mitteln zu verstärken, ohne dass eine Umwandlung in ein elektrisches Signal notwendig wird.

Weiterhin ausbaufähig

Noch übersteigen die Photonics-Kosten jedoch die Performance-Gewinne, so dass nach Produktvorstellungen im Jahr 2013 heute immer noch nicht viel Besseres auf dem Markt zu finden ist. Geworben wird mit geringerem Stromverbrauch, höheren Reichweiten mit sehr kleinen Signalpegeln, modularem Aufbau durch die Kombination von Photonik und Silizium-Chips. Das klingt alles noch nicht überzeugend. Auf den Großen Wurf muss man wohl weiterhin warten.

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