Das Internet wächst von Tag zu Tag und die benötigte Rechenleistung steigt entsprechend an. Bis 2025 werden wir rund 180 Zettabyte an Daten erzeugen, die irgendwo gespeichert und verarbeitet werden müssen.

Die Netzwerktechnologie befindet sich praktisch in einem ständigen Kampf um die Bereitstellung der Hardware- und Software-Infrastruktur, die diese Datenflut bewerkstelligen kann – und das in großem Umfang und zu erschwinglichen Preisen. Ein wirkungsvolles Instrument im Arsenal der Netzwerktechnologie ist die Siliziumphotonik.

Was ist Siliziumphotonik?

Die Photonik ist ein Bereich der Technik, der sich mit der Manipulation von Lichtteilchen, den Photonen, befasst (so wie sich die Elektronik mit der Manipulation von Elektronen befasst). Licht bewegt sich mit der höchsten physikalisch möglichen Geschwindigkeit und ist daher als Übertragungsmedium ideal.

Sie können sich in einen Zoom-Anruf einloggen und mit jemandem sprechen, der Tausende von Kilometern entfernt ist, und zwar ohne spürbare Verzögerung, weil das Internet Ihre Nachricht als Licht kodiert und sie über Glasfaserkabel sendet – eine Photonentechnologie.

Die Siliziumphotonik zielt darauf ab, diese Technologie zu verkleinern und sie auf Netzwerke nicht nur zwischen Rechenzentren anzuwenden, sondern auch innerhalb kleinerer Netzwerke. Das klingt eher nebensächlich, ist aber von großer Bedeutung: Schätzungen zufolge findet fünfmal mehr Datenverkehr innerhalb von Rechenzentren statt als zwischen Rechenzentren.

Laser und Silizium

Dank der Siliziumphotonik kann die Leistung und Kapazität der Computersysteme in diesen Rechenzentren erheblich gesteigert werden. Und damit auch deren Fähigkeit, die Infrastruktur des Internets und anderer Cloud-basierter Systeme zu betreiben.

Die Siliziumphotonik von Intel kombiniert zwei leistungsstarke Technologien: den integrierten Schaltkreis und den Halbleiterlaser, die in einem Gerät namens Transceiver verbunden sind.

1. Innerhalb des Transceivers wandelt ein kleineres Modul, der sogenannte Modulator, elektrische Signale von Siliziumschaltungen in optische Signale um. Dieser Modulator unterbricht intermittierend den Weg eines Laserstrahls. Diese Unterbrechungen unterteilen den ansonsten kontinuierlichen Strahl und übertragen binäre Signale in den Lichtstrom.
2. Diese Signale wiederum werden dann mit Lichtgeschwindigkeit über Glasfaserkabel gesendet. Am anderen Ende empfängt ein Modul, ein sogenannter Photodetektor, der sich in einem anderen Transceiver befindet, das Lichtsignal und dekodiert es zurück in ein elektrisches Signal, Dieses kann dann von der Empfangsschaltung gelesen werden.

So wird eine schnellere Übertragung von größeren Datenmengen über größere Entfernungen möglich. Wie viel besser ist dieses System im Vergleich zu den bestehenden Systemen? Nun, die Geschwindigkeit von Rechenzentren bewegt sich heutzutage im Bereich von 100Gb. Die Siliziumphotonik hat das Potenzial, diese Zahl auf mindestens 400 Gb zu erhöhen.

Wie haben wir das geschafft?

Es hört sich einfach an, aber bis vor kurzem war es extrem schwierig, Lichtquellen aus Silizium zu erzeugen. Der Durchbruch für Intel kam 2004: Wir fanden heraus, wie man Daten auf einen Lichtstrahl kodiert, indem man Licht in mehrere Kanäle aufspaltet und diese Kanäle dann neu kombiniert, um die erforderlichen binären Information zu erstellen.

Im Jahr 2012 produzierte Intel dann unter Verwendung einer aktualisierten ringbasierten Modulationstechnologie seinen ersten vollständig integrierten Transceiver: den optischen Intel® 100G-CWDM4-QSFP28-Siliziumphotonik-Transceiver mit erweitertem Temperaturbereich.

Darüber hinaus ist Intel in der Lage, diese gewaltigen Fortschritte bei der Computer-Hardware zu erzielen – und zwar in dem Umfang, der erforderlich ist, um die Kommunikationstechnologie der nächsten Generation entscheidend voranzutreiben. Dieser Innovationsgeist setzt sich bis heute fort, mit einer Reihe modernster optischer Transceiver, die Rechenzentren und Rechenoperationen auf einem neuen Leistungsniveau ermöglichen.

Und das ist noch nicht alles. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Licht zu verarbeiten und damit maschinelle Bildverarbeitungssysteme zu betreiben, findet die Siliziumphotonik auch in Bereichen wie dem autonomen Fahren Anwendung. Und tatsächlich finden Sie Siliziumphotonik-Komponenten in Intels eigenen Mobileye Lidar-Systemen für autonome Fahrzeuge.

Die Zukunft der Siliziumphotonik

Es gibt nach wie vor Bestrebungen, photonische Systeme so zu verkleinern, dass sie innerhalb der Chips selbst funktionieren. Hierfür sind noch entscheidende Hürden zu nehmen. Eine dieser Hürden besteht darin, dass die Siliziumphotonik eine Lichtquelle benötigt, um zu funktionieren – und Silizium ist physikalisch nicht in der Lage, Licht zu emittieren.

Somit ist die Photonik in lediglich Silizium-basierten Chips derzeit nicht möglich. Die moderne Siliziumphotonik verwendet daher eine externe Lichtquelle zur Erzeugung des Strahls, was jedoch eine Verkleinerung auf Chip-Ebene ausschließt.

Aber die Zukunft für die Siliziumphotonik ist immer noch vielversprechend. Da das Wachstum des Internets keinerlei Anzeichen einer Verlangsamung zeigt, müssen die Rechenzentren und digitalen Netzwerke Schritt halten. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Siliziumphotonik trägt Intel dazu bei, dass das Internet den Anforderungen einer sich ständig weiterentwickelnden digitalen Welt immer einen Schritt voraus ist.