{"id":104429,"date":"2025-03-07T15:00:50","date_gmt":"2025-03-07T14:00:50","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/czy-fotonika-krzemowa-jest-przyszloscia\/"},"modified":"2026-04-08T10:43:10","modified_gmt":"2026-04-08T08:43:10","slug":"ist-silizium-photonik-die-zukunft","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/ist-silizium-photonik-die-zukunft\/","title":{"rendered":"Ist Silizium-Photonik die Zukunft?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 7<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Vorhersagen \u00fcber das Ende des Mooreschen Gesetzes<\/strong> sind nicht neu, aber erst in den letzten Jahren haben sich diese Stimmen im Mainstream durchgesetzt. Ich pers\u00f6nlich w\u00e4re 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 endg\u00fcltige Ende dieses Prinzips verk\u00fcnden, nur ein Marketingtrick der Tech-Giganten. Es scheint Nvidia zu sein, das am liebsten das Ende von Moore’s Law verk\u00fcndet, und das schon seit einigen Jahren fast regelm\u00e4\u00dfig. Im Zusammenhang mit diesem Trend erschien einmal eine Aussage von Peter Lee, dem Forschungsleiter von Microsoft, die die ganze Situation recht gut illustriert.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\u201eThe number of people predicting the death of Moore’s law doubles every two years.\u201d<\/em><\/p>

“Die Zahl derer, die den Tod von Moore’s Law vorhersagen, verdoppelt sich alle zwei Jahre.”<\/em><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Das ist nat\u00fcrlich eine humorvolle Beobachtung, die ich f\u00fcr 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 \u201eDas Mooresche Gesetz 50 Jahre sp\u00e4ter<\/a>\u201c verfasst, den ich Ihnen ans Herz legen m\u00f6chte. In diesem Material werfen wir einen Blick auf die Technologie, die hinter der Silizium-Photonik<\/strong> steckt und die in Zukunft eine wichtige Rolle spielen k\u00f6nnte.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Mikroskopische Aufnahme von zwei lumineszierenden LED-Display-Strukturen.<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Im Laufe der Jahre war die Halbleiterindustrie durch kontinuierliches Wachstum gekennzeichnet, aber dieses Wachstum kann nicht ewig anhalten. Nat\u00fcrlich werden die Chips immer kleiner, noch leistungsf\u00e4higer und energieeffizienter, aber es zeichnen sich bereits jetzt einige Grenzen ab, von denen wir nicht genau wissen, wie wir sie \u00fcberwinden k\u00f6nnen. Ihr Paradebeispiel ist die Grenze der Miniaturisierung<\/strong>. Technologische Prozesse sto\u00dfen 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 k\u00f6nnten. Um dies zu verhindern, versuchen Wissenschaftler, Transistoren \u201eanders\u201c als auf die \u00fcbliche Weise zu bauen, aber das hat nicht immer den gew\u00fcnschten Effekt. Hier werde ich auch Eigenwerbung betreiben –\u201eGAAFET – eine gescheiterte Revolution im Transistor-Design?<\/a>\u201c. Hinzu kommen Probleme mit der W\u00e4rmeableitung in immer dichter gepackten Strukturen, Aufl\u00f6sungsbeschr\u00e4nkungen bei Chipmaschinen oder Leistungsgrenzen bei Silizium<\/strong>.<\/p>

Silizium \u201eGrenzen\u201c ist ein \u00e4u\u00dferst interessantes Thema, das den meisten Menschen nicht bewusst ist. Obwohl dieses Material uns seit den Anf\u00e4ngen der Halbleiterindustrie begleitet, ist es nicht perfekt. Das Hauptproblem, mit dem die Entwickler in Zukunft konfrontiert sein werden, ist die unzureichende Geschwindigkeit von Chips<\/strong>. Unter anderem sehen wir schon jetzt, dass die Prozessoren an ihre Betriebsfrequenzgrenzen sto\u00dfen. Die von den Herstellern angegebenen Taktwerte liegen in der Regel zwischen 3GHz und 5GHz. Das liegt daran, dass Chips, deren Taktfrequenz h\u00f6here Werte erreicht, zu \u00dcberhitzung und Zuverl\u00e4ssigkeitsproblemen neigen. Dar\u00fcber hinaus f\u00fchrt die extreme Miniaturisierung von Silizium zu Verz\u00f6gerungen innerhalb des Chips. Das erscheint seltsam. Denn es mag den Anschein haben, dass eine h\u00f6here Packungsdichte und k\u00fcrzere 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 Querschnittsfl\u00e4che, was zu einem nicht intuitiven Anstieg des Widerstands mit jedem Miniaturisierungsschritt f\u00fchrt. Dar\u00fcber hinaus sind die immer kleiner werdenden Siliziumkerne mit dem Problem der so genannten Dissipation<\/strong> behaftet. Je kleiner die von den Ladungstr\u00e4gern genutzten Wege sind, desto schlimmer wird es. Obwohl die Definition von elektrischem Strom von \u201eder geordneten Bewegung elektrischer Ladungen\u201c spricht, ist dies eine ziemliche Vereinfachung und sieht in Wirklichkeit ganz anders aus. Elektronen, wenn wir sie als Energietr\u00e4ger zu einem bestimmten Zeitpunkt betrachten, bewegen sich ziemlich zuf\u00e4llig, wenn auch mehr oder weniger in dieselbe Richtung. Wenn wir die Gelegenheit h\u00e4tten, sie mit blo\u00dfem Auge zu sehen, k\u00f6nnten wir die Beobachtungszeit, in der sie sich ein paar Zentimeter fortbewegen, in Minuten abz\u00e4hlen. Bei gr\u00f6\u00dferen Halbleiterkonstruktionen spielen diese Aspekte keine so gro\u00dfe Rolle, aber je kleiner der Chip, desto mehr Probleme treten auf.<\/p>

Aus diesem Grund fragen sich die Wissenschaftler , ob Silizium durch etwas anderes ersetzt werden kann<\/strong>. Bisher haben sich bereits mehrere interessante Konzepte herauskristallisiert: Graphen – das recht gute elektrische Eigenschaften hat, aber sehr schwierig in bestehende L\u00f6sungen zu integrieren ist; Galliumarsenid – das bereits f\u00fcr Transistoren verwendet wird, aber teurer ist als Siliziumkonstruktionen; Molybd\u00e4ndisulfid – ein Material, das sich noch in der Forschungsphase befindet. Au\u00dferdem wird behauptet, dass die weitere Erforschung von Silizium oder anderen \u00e4hnlichen 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, n\u00e4mlich Licht<\/strong>.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Optische Tr\u00e4ume <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Theodore Maiman Amerikanischer Physiker, der f\u00fcr die Erfindung des Lasers bekannt ist. (https:\/\/worldkings.org\/news\/world-creators-federation\/top-100-global-creator-p46-theodore-maiman-creator-of-laser)<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Wie w\u00e4re es, Strom durch Licht zu ersetzen? Transistoren mit optischen Elementen? Diese Idee scheint recht interessant zu sein, denn vereinfacht gesagt, k\u00f6nnen wir sagen, dass wir Elektronen f\u00fcr Berechnungen in modernen Computern verwenden, warum sollten wir sie nicht durch Photonen<\/strong> ersetzen. Ideen dieser Art sind nicht neu, bereits in den 1970er Jahren tauchten die ersten Konzepte f\u00fcr den Bau einer so genannten optischen integrierten Schaltung auf.<\/p>

Eine solche Schaltung, obwohl es besser w\u00e4re, es als System zu bezeichnen, w\u00fcrde aus vier Hauptkomponenten bestehen: einer Lichtquelle <\/strong>– es wurde angenommen, dass es sich dabei um einen einfachen Laser handeln k\u00f6nnte; optischen Fasern<\/strong>, die die einzelnen Komponenten miteinander verbinden w\u00fcrden; Modulen zur Umwandlung von <\/strong>elektrischen Signalen in Licht und umgekehrt, so dass das Ganze mit bestehenden Strukturen interagieren k\u00f6nnte, und begleitenden Halbleiterstrukturen<\/strong>, die als Hilfsmittel fungieren w\u00fcrden. Wichtig ist, dass die Entwicklung eines Lichtchips als solches urspr\u00fcnglich nicht geplant war. Dies wurde als zu schwierig angesehen. Es gab damals kein funktionales Konzept f\u00fcr eine Komponente, die wir als photonischen Transistor bezeichnen konnten, und ohne dieses Konzept gab es keine M\u00f6glichkeit, andere, komplexere Strukturen zu bauen.<\/p>

Dar\u00fcber hinaus waren sich die Forscher zweier grundlegender Probleme bewusst. Die Lichtquelle kann nicht auf Silizium basieren<\/strong>, da dieses an sich keine Photonen emittieren kann. Nur wenn dieses Element durch Dotierung in geeigneter Weise ver\u00e4ndert 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 f\u00fcr ein photonisches System w\u00e4re. Interessanterweise hat sich seither nicht viel ge\u00e4ndert und wir wissen immer noch nicht, wie man einen stabilen Laser auf Siliziumbasis baut. Daher werden unter anderem Galliumarsenid, Galliumnitrid oder Indiumgalliumphosphid f\u00fcr diesen Zweck verwendet. Dar\u00fcber hinaus gibt es in kristallinen Siliziumstrukturen einen unerw\u00fcnschten Pockels-Effekt<\/strong>. Laser arbeiten im Allgemeinen kontinuierlich und erzeugen einen stabilen Lichtstrahl. In einem konzeptionellen System w\u00e4re es jedoch w\u00fcnschenswert, 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 m\u00f6glich, so dass es unm\u00f6glich ist, auf der Grundlage dieses Materials lichtelektrische Wandler zu entwickeln.<\/p>

Diese beiden Probleme erschwerten die ersten Versuche, ein phonisches Ger\u00e4t 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 erw\u00e4hnten Elemente zu konzentrieren.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Kommerzielle Nutzung von Licht <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Auszug aus dem Werk von Richard Soref. (https:\/\/ieeexplore.ieee.org\/document\/1073206)<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Die Geschichte der Silizium-Photonik, wie wir sie heute kennen, begann in den sp\u00e4ten 1980er Jahren. Ungef\u00e4hr zu dieser Zeit erschien die Arbeit von Richard Soref, der das beschrieb, was wir als photonischen PN-\u00dcbergang<\/strong> bezeichnen k\u00f6nnten, der aus der klassischen Elektronik bekannt ist. Diese passive Struktur gab den Ansto\u00df 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 k\u00f6nnte, einen funktionsf\u00e4higen 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 Daten\u00fcbertragung zwischen gr\u00f6\u00dferen Ger\u00e4ten sein wird, die manchmal weit voneinander entfernt sind. Das ideale Allheilmittel sollten Photonen sein, die \u00fcber ein geeignetes Glasfaserkabel \u00fcbertragen werden<\/strong> und so alle Nachteile der bis dahin verwendeten Metalldr\u00e4hte vollst\u00e4ndig beseitigen.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Schallwandler auf einer klassischen Leiterplatte.(https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=29aTqLvRia8&t=189s)<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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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<\/strong> f\u00fcr den kommerziellen Bereich vorstellte. Dieses Ger\u00e4t verf\u00fcgte \u00fcber eine Bandbreite von mehr als 1 GHz und konnte erfolgreich in Datenzentren eingesetzt werden, um die Informations\u00fcbertragung auf ein bisher unbekanntes Niveau zu beschleunigen.<\/p>

Obwohl die Silizium-Photonik ihren Weg in die Daten\u00fcbertragung gefunden hat, ist sie noch mit einem bekannten Problem behaftet. Wie ich bereits erw\u00e4hnt habe, ist es bis heute nicht gelungen, einen Laser auf Siliziumbasis<\/strong> zu entwickeln. Mehr noch, wir wissen immer noch nicht, ob dies \u00fcberhaupt m\u00f6glich 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<\/strong> sein, d.h. au\u00dferhalb des photonischen Systems liegen oder in das System integriert<\/strong> sein, aber er basiert immer auf einem anderen Element als Silizium. <\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Wie geht es weiter?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Photonisches Modul, entwickelt von Lightmetter. (https:\/\/www.wired.com\/story\/chip-ai-works-using-light-not-electrons\/)<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Silizium-Photonik wird jedes Jahr pr\u00e4senter<\/strong>, Server-zu-Server-Kommunikation, Glasfaser-Internet oder Lidar-Sensoren, die ich nicht erw\u00e4hnt habe, die aber zu dieser Industrie geh\u00f6ren. All diese Elemente sind Teil des t\u00e4glichen Lebens geworden, aber gleichzeitig kann es scheinen, dass etwas fehlt. Die Tr\u00e4ume aus den 1970er Jahren von einem vollst\u00e4ndig photonischen integrierten Schaltkreis sind immer noch pr\u00e4sent und haben dazu gef\u00fchrt, 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 \u00fcber den photonischen Transistor gesagt, so dass dieser weit jenseits des technologischen Horizonts zu liegen scheint. Au\u00dferdem haben sich mit der Entwicklung der Technologie weitere Probleme ergeben. Die heutigen Halbleiterkomponenten sind nur wenige Nanometer gro\u00df, w\u00e4hrend photonische Komponenten nicht kleiner sein k\u00f6nnen als die Wellenl\u00e4nge des Lichts, die etwa einen Mikrometer betr\u00e4gt. Das Skalierungsproblem<\/strong> ist ziemlich schwerwiegend und macht die m\u00f6glichen Lichtkonstruktionen ziemlich gro\u00df. Daher tendieren die Hersteller zu Hybridkonstruktionen<\/strong>, die Licht und Elektrizit\u00e4t kombinieren. Wir sprechen von Prozessoren mit einer direkten Glasfaserverbindung. Auf diese Weise k\u00f6nnen alle Zwischenschritte \u00fcbersprungen 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 m\u00fcssen noch auf irgendwelche Schlussfolgerungen warten, denn diese sucht man im Internet vergeblich. Viele weitere Informationen werden von wachsenden Start-ups zur Verf\u00fcgung gestellt. Eines davon ist Lightmeter, ein Unternehmen, das Photonen-basierte KI-Chips herstellt. Wer sich f\u00fcr dieses Thema interessiert, dem empfehle ich einen Besuch der Website des Unternehmens, die online verf\u00fcgbar ist.<\/p>

Es besteht kein Zweifel, dass die Silizium-Photonik eine Zukunftstechnologie<\/strong> 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 gro\u00df genug ist, um ihr Potenzial auszusch\u00f6pfen.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Quellen:<\/p>

  • https:\/\/www.optica-opn.org\/home\/industry\/2021\/december\/lightelligence_puts_new_chip_through_its_paces\/<\/li>
  • https:\/\/worldkings.org\/news\/world-creators-federation\/top-100-global-creator-p46-theodore-maiman-creator-of-laser<\/li>
  • https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=wBqfzj6CEzI<\/li>
  • https:\/\/www.gophotonics.com\/community\/what-is-pockels-effect<\/li>
  • https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=Fml3yuPR2AU<\/li>
  • https:\/\/ieeexplore.ieee.org\/document\/1073206<\/li>
  • https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=29aTqLvRia8&t=189s<\/li>
  • https:\/\/www.wired.com\/story\/chip-ai-works-using-light-not-electrons\/<\/li><\/ul>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Wie w\u00e4re es, Strom durch Licht zu ersetzen? Transistoren mit optischen Elementen? 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