Silicon Photonics: Prozessoren kommunizieren mit Licht

Globalfoundries integriert als erster Fertiger in einem Standardprozess optische Elemente und Logik auf einem Wafer.

Artikel veröffentlicht am 9. März 2022, 11:30 Uhr, Johannes Hiltscher

Die Fasern eines optischen Netzwerkkabels (Bild: Pixabay)

Die Integration optischer Elemente in Standard-CMOS-Prozesse, auch als Silicon Photonics bezeichnet, ist seit annähernd zwei Jahrzenten eine große Hoffnung für Rechenzentren. Denn zunehmend wird die Verbindung der einzelnen Chips zum Flaschenhals, was Nvidia beispielsweise mit NVLink adressierte. Globalfoundries gab nun bekannt, erstmals Logik, Hochfrequenzschaltkreise und optische Wandler in einem Prozess fertigen zu können - auf gängigen 300mm Wafern. Zum Einsatz kommt der GF Fotonix genannte Prozess vorerst in GFs Fab 8 in Malta, New York.

Wo große Datenmengen über mittlere bis große Distanzen transportiert werden, kommen optische Verbindungen zum Einsatz. Licht ist hier gegenüber Elektronen eindeutig im Vorteil: Es kann verlustarm übertragen werden, die Fehlerrate ist gering und verschiedene Wellenlängen bilden mehrere Bits parallel ab.

Bislang werden optische und Logikschaltkreise in getrennten Produktionsstrecken gefertigt. Daher sind mindestens zwei Halbleiter erforderlich, um die Wandlung von Elektronen in Photonen zu vollbringen. Die Nachteile sind offensichtlich: die beiden Bausteine müssen zusammengefügt werden. Wegen der Unebenheit im Leiter wird mehr Energie benötigt, die Latenz steigt und die Datenrate muss geringer angesetzt werden.

Was kann es - und warum war das so schwer?

Bei GF Fotonix werden neben den CMOS-Komponenten, die für Prozessoren und Speicher genutzt werden, Hochfrequenz- (HF) und optische Komponenten gefertigt. Alles geschieht in einem zusammenhängenden Prozess, an das resultierende Die kann direkt eine Faser als Lichtleiter angebunden werden. Die HF-Komponenten dienen der Modulation der Daten auf ein 300 GHz-Signal, die optischen Komponenten wandeln ins gut übertragbare Licht und zurück. Da alles auf demselben Halbleiter passiert, sind höhere Datenraten möglich als bei Multi-Chip-Lösungen. Entsprechend gibt GF an, pro Faser 0,5 Tbps zu erreichen. Für die Datenrate eines Chiplets werden 1,6 bis 3,2 Tbps angegeben, vermutlich mit vier bis acht Fasern. Die Differenz dürfte für Protokoll und Fehlerschutz wegfallen.

Kompliziert daran sind die verschiedenen Fertigungsanforderungen. So werden optische Komponenten mit Germanium dotiert, bei CMOS werden andere Elemente genutzt. Es kommen mehr Chemikalien zum Einsatz, die sich nicht negativ beeinflussen dürfen. GF baut auf der Arbeit der Mikroelektroniksparte von IBM auf, die das Unternehmen 2015 übernommen hat. Zusammen mit Ansys, Cadence und Synopsys bietet GF ab April 2022 ein Process Design Kit (PDK) an, mit dem Kunden ihre Halbleiter entwerfen.

Das meint der Autor

Zwar sind Firmen in ihren Pressemitteilungen vom neuen Produkt immer überschwänglich begeistert. GF Fotonix ist jedoch für Rechenzentren und Hochleistungsrechner tatsächlich ein großer Wurf. Denn idealerweise möchte man die einzelnen CPUs oder GPUs möglichst direkt miteinander verbinden. Nur so kann die Leistung großer Cluster noch in gewohnter Weise gesteigert werden. Und hier bieten Lichtleiter große Vorteile: Sie benötigen wenig Platz, lassen sich über größere Strecken verlegen und sind kaum störungsanfällig.

Entsprechend lang ist die Liste der genannten Unternehmen, die das Verfahren nutzen möchten. An erster Stelle steht Nvidia, das in Zukunft seine Rechenbeschleuniger mit optischem NVLink ausstatten könnte. Direkt danach folgen die Netzwerkausrüster Broadcom, Cisco und Marvell, für deren optische Netzwerkhardware das Verfahren interessant ist. Aber auch Psyquantum, das einen optischen Quantencomputer bauen will, bekundet Interesse.