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Vorhersagen über das Ende des Mooreschen Gesetzes sind nicht neu, aber erst in den letzten Jahren haben sich diese Stimmen im Mainstream durchgesetzt. Ich persönlich wäre bei solchen Vorhersagen jedoch vorsichtiger. Ja, das Mooresche Gesetz, das besagt, dass sich die durchschnittliche Anzahl der Transistoren in integrierten Schaltkreisen alle zwei Jahre verdoppelt, ist vielleicht nicht mehr so eindeutig, aber es gilt immer noch. Dennoch sind Slogans, die das endgültige Ende dieses Prinzips verkünden, nur ein Marketingtrick der Tech-Giganten. Es scheint Nvidia zu sein, das am liebsten das Ende von Moore’s Law verkündet, und das schon seit einigen Jahren fast regelmäßig. Im Zusammenhang mit diesem Trend erschien einmal eine Aussage von Peter Lee, dem Forschungsleiter von Microsoft, die die ganze Situation recht gut illustriert.
„The number of people predicting the death of Moore’s law doubles every two years.”
“Die Zahl derer, die den Tod von Moore’s Law vorhersagen, verdoppelt sich alle zwei Jahre.”
Das ist natürlich eine humorvolle Beobachtung, die ich für sehr treffend halte. Heute werden wir uns jedoch nicht mit dem Moore’schen Gesetz als solchem befassen, zu diesem Thema habe ich bereits in der Vergangenheit einen Beitrag „Das Mooresche Gesetz 50 Jahre später“ verfasst, den ich Ihnen ans Herz legen möchte. In diesem Material werfen wir einen Blick auf die Technologie, die hinter der Silizium-Photonik steckt und die in Zukunft eine wichtige Rolle spielen könnte.
Im Laufe der Jahre war die Halbleiterindustrie durch kontinuierliches Wachstum gekennzeichnet, aber dieses Wachstum kann nicht ewig anhalten. Natürlich werden die Chips immer kleiner, noch leistungsfähiger und energieeffizienter, aber es zeichnen sich bereits jetzt einige Grenzen ab, von denen wir nicht genau wissen, wie wir sie überwinden können. Ihr Paradebeispiel ist die Grenze der Miniaturisierung. Technologische Prozesse stoßen immer mehr an physikalische Grenzen. Vieles deutet darauf hin, dass Transistoren unter 1 nm vor allem durch Quanteneffekte wie das Tunneln von Elektronen instabil sein könnten. Um dies zu verhindern, versuchen Wissenschaftler, Transistoren „anders“ als auf die übliche Weise zu bauen, aber das hat nicht immer den gewünschten Effekt. Hier werde ich auch Eigenwerbung betreiben –„GAAFET – eine gescheiterte Revolution im Transistor-Design?“. Hinzu kommen Probleme mit der Wärmeableitung in immer dichter gepackten Strukturen, Auflösungsbeschränkungen bei Chipmaschinen oder Leistungsgrenzen bei Silizium.
Silizium „Grenzen“ ist ein äußerst interessantes Thema, das den meisten Menschen nicht bewusst ist. Obwohl dieses Material uns seit den Anfängen der Halbleiterindustrie begleitet, ist es nicht perfekt. Das Hauptproblem, mit dem die Entwickler in Zukunft konfrontiert sein werden, ist die unzureichende Geschwindigkeit von Chips. Unter anderem sehen wir schon jetzt, dass die Prozessoren an ihre Betriebsfrequenzgrenzen stoßen. Die von den Herstellern angegebenen Taktwerte liegen in der Regel zwischen 3GHz und 5GHz. Das liegt daran, dass Chips, deren Taktfrequenz höhere Werte erreicht, zu Überhitzung und Zuverlässigkeitsproblemen neigen. Darüber hinaus führt die extreme Miniaturisierung von Silizium zu Verzögerungen innerhalb des Chips. Das erscheint seltsam. Denn es mag den Anschein haben, dass eine höhere Packungsdichte und kürzere Verbindungen zwischen den Elementen die Kommunikation verbessern, aber in Wirklichkeit ist das Gegenteil der Fall. Der Widerstandswert der Pfade innerhalb der Schaltung ist umgekehrt proportional zu ihrer Querschnittsfläche, was zu einem nicht intuitiven Anstieg des Widerstands mit jedem Miniaturisierungsschritt führt. Darüber hinaus sind die immer kleiner werdenden Siliziumkerne mit dem Problem der so genannten Dissipation behaftet. Je kleiner die von den Ladungsträgern genutzten Wege sind, desto schlimmer wird es. Obwohl die Definition von elektrischem Strom von „der geordneten Bewegung elektrischer Ladungen“ spricht, ist dies eine ziemliche Vereinfachung und sieht in Wirklichkeit ganz anders aus. Elektronen, wenn wir sie als Energieträger zu einem bestimmten Zeitpunkt betrachten, bewegen sich ziemlich zufällig, wenn auch mehr oder weniger in dieselbe Richtung. Wenn wir die Gelegenheit hätten, sie mit bloßem Auge zu sehen, könnten wir die Beobachtungszeit, in der sie sich ein paar Zentimeter fortbewegen, in Minuten abzählen. Bei größeren Halbleiterkonstruktionen spielen diese Aspekte keine so große Rolle, aber je kleiner der Chip, desto mehr Probleme treten auf.
Aus diesem Grund fragen sich die Wissenschaftler , ob Silizium durch etwas anderes ersetzt werden kann. Bisher haben sich bereits mehrere interessante Konzepte herauskristallisiert: Graphen – das recht gute elektrische Eigenschaften hat, aber sehr schwierig in bestehende Lösungen zu integrieren ist; Galliumarsenid – das bereits für Transistoren verwendet wird, aber teurer ist als Siliziumkonstruktionen; Molybdändisulfid – ein Material, das sich noch in der Forschungsphase befindet. Außerdem wird behauptet, dass die weitere Erforschung von Silizium oder anderen ähnlichen Materialien von vornherein zum Scheitern verurteilt ist, denn was auch immer wir entwickeln, es wird irgendwann nicht mehr ausreichen. Auch jedes neue Material wird irgendwann sein Maximum erreichen und wir stehen wieder am Anfang. Dieselben Leute betonen oft, dass wir angesichts der sich abzeichnenden Geschwindigkeits- und Effizienzprobleme etwas verwenden sollten, das diese Probleme im Grunde gar nicht hat, nämlich Licht.
Optische Träume
Wie wäre es, Strom durch Licht zu ersetzen? Transistoren mit optischen Elementen? Diese Idee scheint recht interessant zu sein, denn vereinfacht gesagt, können wir sagen, dass wir Elektronen für Berechnungen in modernen Computern verwenden, warum sollten wir sie nicht durch Photonen ersetzen. Ideen dieser Art sind nicht neu, bereits in den 1970er Jahren tauchten die ersten Konzepte für den Bau einer so genannten optischen integrierten Schaltung auf.
Eine solche Schaltung, obwohl es besser wäre, es als System zu bezeichnen, würde aus vier Hauptkomponenten bestehen: einer Lichtquelle – es wurde angenommen, dass es sich dabei um einen einfachen Laser handeln könnte; optischen Fasern, die die einzelnen Komponenten miteinander verbinden würden; Modulen zur Umwandlung von elektrischen Signalen in Licht und umgekehrt, so dass das Ganze mit bestehenden Strukturen interagieren könnte, und begleitenden Halbleiterstrukturen, die als Hilfsmittel fungieren würden. Wichtig ist, dass die Entwicklung eines Lichtchips als solches ursprünglich nicht geplant war. Dies wurde als zu schwierig angesehen. Es gab damals kein funktionales Konzept für eine Komponente, die wir als photonischen Transistor bezeichnen konnten, und ohne dieses Konzept gab es keine Möglichkeit, andere, komplexere Strukturen zu bauen.
Darüber hinaus waren sich die Forscher zweier grundlegender Probleme bewusst. Die Lichtquelle kann nicht auf Silizium basieren, da dieses an sich keine Photonen emittieren kann. Nur wenn dieses Element durch Dotierung in geeigneter Weise verändert wird, kann es zum Leuchten gebracht werden, wie es bei LEDs der Fall ist. LED-Licht ist jedoch nicht mit einem stabilen Laserstrahl gleichzusetzen, der eine geeignete Quelle für ein photonisches System wäre. Interessanterweise hat sich seither nicht viel geändert und wir wissen immer noch nicht, wie man einen stabilen Laser auf Siliziumbasis baut. Daher werden unter anderem Galliumarsenid, Galliumnitrid oder Indiumgalliumphosphid für diesen Zweck verwendet. Darüber hinaus gibt es in kristallinen Siliziumstrukturen einen unerwünschten Pockels-Effekt. Laser arbeiten im Allgemeinen kontinuierlich und erzeugen einen stabilen Lichtstrahl. In einem konzeptionellen System wäre es jedoch wünschenswert, dass der Betrieb eines solchen Lasers gesteuert werden kann. Es geht nicht darum, den erzeugten Strahl einfach ein- oder auszuschalten, sondern darum, den Fluss des Lichts durch ein elektrisches Feld zu kontrollieren. Leider ist dies bei Silizium nicht möglich, so dass es unmöglich ist, auf der Grundlage dieses Materials lichtelektrische Wandler zu entwickeln.
Diese beiden Probleme erschwerten die ersten Versuche, ein phonisches Gerät aus reinem Silizium herzustellen, und zwar mit denselben Methoden, die die Halbleiterindustrie zu dieser Zeit verwendete. Daher haben Forscher beschlossen, sich auf die anderen bereits erwähnten Elemente zu konzentrieren.
Kommerzielle Nutzung von Licht
Die Geschichte der Silizium-Photonik, wie wir sie heute kennen, begann in den späten 1980er Jahren. Ungefähr zu dieser Zeit erschien die Arbeit von Richard Soref, der das beschrieb, was wir als photonischen PN-Übergang bezeichnen könnten, der aus der klassischen Elektronik bekannt ist. Diese passive Struktur gab den Anstoß zu Forschungen, die funktionierende Konverter entwickelten, die Licht in ein elektrisches Signal umwandeln. Es war auch der Punkt, an dem die Wissenschaftler erkannten, dass es einfach zu schwierig sein könnte, einen funktionsfähigen integrierten Schaltkreis auf der Basis von Laserstrahlen zu entwickeln. Es wurde beschlossen, sich auf das bereits bestehende System zu konzentrieren. Es wurde treffend bemerkt, dass das Problem in naher Zukunft vor allem die Geschwindigkeit der Datenübertragung zwischen größeren Geräten sein wird, die manchmal weit voneinander entfernt sind. Das ideale Allheilmittel sollten Photonen sein, die über ein geeignetes Glasfaserkabel übertragen werden und so alle Nachteile der bis dahin verwendeten Metalldrähte vollständig beseitigen.
In den folgenden Jahrzehnten entwickelte sich langsam die Technologie, die Licht in elektrische Signale umwandelt. Der Pionier dieser Technologie war das US-Unternehmen Intel, das 2004 den weltweit ersten Hochleistungsmodulator für den kommerziellen Bereich vorstellte. Dieses Gerät verfügte über eine Bandbreite von mehr als 1 GHz und konnte erfolgreich in Datenzentren eingesetzt werden, um die Informationsübertragung auf ein bisher unbekanntes Niveau zu beschleunigen.
Obwohl die Silizium-Photonik ihren Weg in die Datenübertragung gefunden hat, ist sie noch mit einem bekannten Problem behaftet. Wie ich bereits erwähnt habe, ist es bis heute nicht gelungen, einen Laser auf Siliziumbasis zu entwickeln. Mehr noch, wir wissen immer noch nicht, ob dies überhaupt möglich ist, weshalb viele den Siliziumlaser als den heiligen Gral der Photonik bezeichnen. Daher wird die Laserstrahlquelle in modernen Designs auf zwei Arten realisiert. Der Laser kann extern sein, d.h. außerhalb des photonischen Systems liegen oder in das System integriert sein, aber er basiert immer auf einem anderen Element als Silizium.
Wie geht es weiter?
Silizium-Photonik wird jedes Jahr präsenter, Server-zu-Server-Kommunikation, Glasfaser-Internet oder Lidar-Sensoren, die ich nicht erwähnt habe, die aber zu dieser Industrie gehören. All diese Elemente sind Teil des täglichen Lebens geworden, aber gleichzeitig kann es scheinen, dass etwas fehlt. Die Träume aus den 1970er Jahren von einem vollständig photonischen integrierten Schaltkreis sind immer noch präsent und haben dazu geführt, dass Start-ups die Herausforderung annehmen, ein solches Bauteil zu entwerfen, bei dem die interne Verdrahtung des Chips mit Glasfasern realisiert wird. Gleichzeitig wird nicht viel über den photonischen Transistor gesagt, so dass dieser weit jenseits des technologischen Horizonts zu liegen scheint. Außerdem haben sich mit der Entwicklung der Technologie weitere Probleme ergeben. Die heutigen Halbleiterkomponenten sind nur wenige Nanometer groß, während photonische Komponenten nicht kleiner sein können als die Wellenlänge des Lichts, die etwa einen Mikrometer beträgt. Das Skalierungsproblem ist ziemlich schwerwiegend und macht die möglichen Lichtkonstruktionen ziemlich groß. Daher tendieren die Hersteller zu Hybridkonstruktionen, die Licht und Elektrizität kombinieren. Wir sprechen von Prozessoren mit einer direkten Glasfaserverbindung. Auf diese Weise können alle Zwischenschritte übersprungen werden, so dass die von der CPU empfangenen Daten sofort ihren Weg zum Kern finden. Interessanterweise wissen wir, dass der taiwanesische Riese TSMC in dieser Richtung forscht, aber wir müssen noch auf irgendwelche Schlussfolgerungen warten, denn diese sucht man im Internet vergeblich. Viele weitere Informationen werden von wachsenden Start-ups zur Verfügung gestellt. Eines davon ist Lightmeter, ein Unternehmen, das Photonen-basierte KI-Chips herstellt. Wer sich für dieses Thema interessiert, dem empfehle ich einen Besuch der Website des Unternehmens, die online verfügbar ist.
Es besteht kein Zweifel, dass die Silizium-Photonik eine Zukunftstechnologie ist, die gute Chancen hat, unser Leben zu revolutionieren. Aber es ist auch eine Technologie, die sozusagen noch auf der Suche nach ihrem Markt ist, der groß genug ist, um ihr Potenzial auszuschöpfen.
Quellen:
- https://www.optica-opn.org/home/industry/2021/december/lightelligence_puts_new_chip_through_its_paces/
- https://worldkings.org/news/world-creators-federation/top-100-global-creator-p46-theodore-maiman-creator-of-laser
- https://www.youtube.com/watch?v=wBqfzj6CEzI
- https://www.gophotonics.com/community/what-is-pockels-effect
- https://www.youtube.com/watch?v=Fml3yuPR2AU
- https://ieeexplore.ieee.org/document/1073206
- https://www.youtube.com/watch?v=29aTqLvRia8&t=189s
- https://www.wired.com/story/chip-ai-works-using-light-not-electrons/
