Silicon Nanophotonics

Intel forscht weiter an Silicon Photonics, Neuromorphic Computing und Quantum Computing: Das Ziel ist es, Limits zu überwinden.
Ein Bericht von Marc Sauter

Die Xeon Phi gibt es nicht mehr, auch der Omni-Path ist Geschichte: Intels 100-GBit/s-Verbindung wird von aktuellen Server-CPUs nicht unterstützt, die Xeon-Fabric-Vorgänger wurden nun End of Life gesetzt.

Aus den Xeon E5/E7 werden die Xeon Platinum, Gold, Silver und Bronze. Die intern als Skylake-SP bezeichneten CPUs sind mit integrierten Optionen wie Fabric oder Gigabit-Ethernet ausgerüstet, daher spricht Intel von einer skalierbaren Plattform.

Für 770 Millionen US-Dollar soll Applied Micro ein Teil von Macom werden. Die Compute-Sparte des ARM-Server-Herstellers soll veräußert werden, denn Analog-Spezialist Macom interessiert sich für die Connectivity-Produkte.

IDF 2016 Nach weit über einem Jahrzehnt wird es Licht: Intel vernetzt Datacenter mit Silicon Photonics, die in der ersten Version 100 GBit pro Sekunde übertragen. Nächstes Jahr soll Knights Mill erscheinen, ein Xeon Phi mit für Deep Learning optimierten Befehlssätzen.

Diverse große Hersteller wie ARM, IBM und Qualcomm entwickeln zusammen eine Verbindung: Der Cache Coherent Interconnect for Accelerators soll Prozessoren und Beschleuniger verknüpfen. Gerade für Data-Center soll das Effizienz und Leistung verbessern.

Photonen statt Elektronen - optische Schaltungen könnten eine Alternative zu elektronischen Halbleitern werden. Forscher in München haben hierzu einen neuen Ansatz entwickelt, Nanodraht-Laser mit Silizium zu verbinden.

Das 14-nm-Verfahren läuft nicht rund, dennoch hält Intel die eigene Fertigungstechnik der Konkurrenz für überlegen. Künftig möchte der Hersteller in Server und weniger in PCs sowie Tablets investieren.

Ausblick auf 2017 und 2018: Eine Intel-Roadmap zur Server-Plattform Purley zeigt, dass die Skylake- und Cannonlake-EP-Prozessoren auf sehr schnellen Speicher und eine optische Datenübertragung setzen.

Als den größten Fortschritt seit Nehalem bewirbt Intel seine kommende Purley-Plattform für Server: Die Skylake-EX genannten Prozessoren sollen neben vielen Kernen auch eine komplett neue Speichertechnik bieten. Zudem gibt es Details zu Broadwell-EX.

Intel schickt mehr Daten pro Sekunde durch Glasfasern, IBM hingegen bietet die höhere Reichweite. Die neuen Transceiver-Chips mit Silicon Photonics sind zudem deutlich günstiger in der Herstellung.

Unter dem Namen Omni Scale will Intel 2015 sein erstes eigenes Fabric für Supercomputer vorstellen - nur bei den Großrechnern dürfte die Technik kaum bleiben. Dabei werden erstmals in größeren Stückzahlen die optischen Vernetzungen der Silicon Photonics genutzt.

Einheitlicher Speicher, der selbst im Petabyte-Bereich und in riesigen Rack-Installationen in unter 250 ns angesprochen werden kann: Das soll HPs The Machine ermöglichen. Memristor- und Photonics-Technik müssen jedoch erst finalisiert werden - das gilt auch für das Machine OS.

Nach zehn Jahren Entwicklung sollen aus Intels Abteilung für Silicon Photonics endlich marktreife Produkte kommen. Die optische Vernetzung von Komponenten mit hohen Bandbreiten kommt zuerst ins Rechenzentrum und dort wohl mit den neuen Xeon E7 alias Haswell-EP.

Intels Projekt Silicon Photonics wird noch vor Jahresende Realität werden, so ist zumindest der Plan. Der für Gorilla-Glas bekannte Hersteller Corning wird die Kabel verkaufen, die dann in einem Rechenzentrum verbiegbare Verbindungen mit bis zu 800 GBit/s ermöglichen.

Auf seiner Entwicklerkonferenz IDF will Intel Anfang September 2013 das erste Produkt seiner Abteilung für optische Vernetzung ankündigen. Die MXC genannte Schnittstelle soll bis zu 1,6 Terabit pro Sekunde übertragen können - aber anfangs wohl kaum über nur eine Leitung.

Intels Cheftechniker Justin Rattner hat in einem Interview angekündigt, dass sein Unternehmen Bausteine für optische Verbindungen mit 100 Gigabit pro Sekunde entwickelt. Bei den Prozessoren dagegen setzt die Physik spätestens in fünf Jahren neue Grenzen.

Facebook, Intel, Applied Micro und andere Unternehmen haben auf dem Open Compute Summit eine neue Serverarchitektur skizziert. Mit Group Hug und Silicon-Photonics-Techniken lässt sich diese neue Generation von Servern umsetzen, bei der die einzelnen Bestandteile eines Servers im Rack verteilt werden.

Mit Silicon Nanophotonics will IBM dem Bau von Computerchips, die sowohl optische als auch elektrische Schaltkreise enthalten, ein wesentliches Stück nähergekommen sein. Auf diese Art und Weise sollen sich deutlich schnellere Chips herstellen lassen.

Nicht mit einem Laser, sondern mit einer Single-Mode-LED können Forscher der Stanford-Universität Daten übertragen. Das klappt jetzt bei Raumtemperatur und soll für sparsamere optische Vernetzungen von Chips sorgen.

Wissenschaftler einer US-Universität haben einen ultravioletten Laser aus neuen Materialien gebaut. Die Werkstoffe sollen günstig hergestellt werden können. So könnten die kurzen Wellenlängen schon bald für die Serienfertigung tauglich sein.

Mit nur einem Laser haben Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) eine Übertragungsrate von 26 Terabit pro Sekunde erreicht. Zum Einsatz kam dabei eine neuartige optische Komprimierung.

Mit 1 GHz ist im Labor ein Anfang gemacht, das Ziel sind 500 GHz - so schnell sollen optische Verbindungen durch einen neuen Modulator werden. Wissenschaftler der UC Berkeley haben ihn aus dem Material Graphen gebaut.

Noch gibt es die schnelle optische Schnittstelle Thunderbolt nur von einem Anbieter - Apple -, da kündigt Intel schon den Nachfolger an. 2015 soll eine weitere optische Verbindung das fünffache Tempo erreichen.

IBM hat eine neue Technik vorgestellt, um elektrische und optische Komponenten auf einem Chip zu integrieren. Die CMOS Integrated Silicon Nanophotonics genannte Technik soll eine sehr schnelle Kommunikation zwischen Chips ermöglichen und den Weg zu einem Supercomputer mit einer Rechenleistung von 1 Exaflop ebnen.

Intel hat ein sogenanntes Concept Vehicle fertiggestellt und demonstriert damit erfolgreich eine optische Verbindung mit 50 GBit/s. Das ist allerdings nur der Anfang. Intel will mit vergleichsweise günstiger Technik in den Terabit-Bereich vorstoßen.

Erstmals findet derzeit in Europa ein "Research @ Intel Day" statt, bei dem der Chiphersteller Journalisten Technologien aus seinen Forschungslabors vorführt. In Brüssel zeigt Intel dabei auch Light Peak mit praktischen Anwendungen. Die optische Schnittstelle mit bis zu 40 GBit/s soll alle anderen Datenkabel am PC ablösen.

In den Labors von Intel haben die Forscher einen optischen Signalverstärker aus Silizium gebaut, der effektiver sein soll als entsprechende Geräte aus bisher üblichen Materialien. Damit ist eine weitere Voraussetzung für den Bau von rein optisch vernetzten Halbleitern erfüllt.

Zum Abschluss des Intel Developer Forums 2008 durfte traditionell "Chief Technology Officer" Justin Rattner seine Vision der Technologiezukunft verbreiten. Und recht visionär und nahe an der Science-Fiction sagte Rattner voraus, dass die Grenzen zwischen Mensch und Maschine bis zum Jahr 2050 verschwimmen könnten. Dafür konnte er auch einige praktische Demonstrationen zeigen, darunter die drahtlose Übertragung von elektrischer Energie mit hoher Leistung.

IBM-Forscher haben einen photonischen Nanoswitch entwickelt. Er soll in künftige Generationen von Computerchips integriert werden, um Informationen zwischen einzelnen Prozessorkernen über Lichtsignale statt Elektronen auszutauschen. So sollen sich deutlich schnellere Chips bauen lassen, die wesentlich weniger Energie verbrauchen als heutige Computerchips.

IBM will Daten mit Hilfe optischer Signale durch Silizium übertragen und damit eines Tages Supercomputer in der Größe von Laptops bauen, die kaum mehr Energie verbrauchen als eine Glühbirne. Entsprechende Entwicklungen veröffentlichen IBM-Forscher im Journal "Optics Express".

Bereits seit über zwei Jahren arbeitete Intel an der optischen Vernetzung von Chips auf Halbleiter-Basis. Diesem Ziel ist man jetzt einen Schritt näher gekommen: Der erste opto-elektrische Wandler, der die Lichtsignale wieder in Strom wandelt, funktioniert. Als Nächstes steht die Integration mit Prozessoren auf dem Programm.

In der laufenden Woche findet in San Francisco das "IDF Fall 2007" statt - Intels zentrales Event für Entwickler und Presse. Auf dem Programm stehen diesmal fast ausschließlich Chips, die in 45 Nanometern Strukturbreite gefertigt sind. Auch die erst 2008 erwartete Architektur "Nehalem" sowie der erste spezialisierte UMPC-Prozessor "Silverthorne" werden in 45 nm gefertigt - ihre Eigenschaften will Intel auf dem IDF entblättern.

Wissenschaftler von IBM haben mit Verfahren herkömmlicher Halbleiter-Fertigung einen Chip konstruiert, der auf einer Größe von 3,25 x 5,25 Millimetern ganze 160 Gigabit pro Sekunde durch Glasfasern übertragen kann. Das Projekt gilt als Durchbruch für die optische Kommunikation zwischen Chips.

Forschern von Intel und der kalifornischen Universität in Santa Barbara ist es gelungen, den ersten "Hybrid-Laser" in Halbleitertechnik herzustellen. Damit rückt die Fertigung von Kommunikationsbausteinen für extrem schnelle Datenübertragungen in greifbare Nähe.

Ein von der britischen Universität in Bath angestoßenes Forschungsprojekt soll die umgekehrte Spinresonanz in Magnetfeldern erforschen. Damit sollen bei hohen Datentransferraten Informationen in Halbleitern drahtlos übertragen werden, ohne Leiterbahnen, die einen Widerstand verursachen.

Im Rahmen des Intel Developer Forums sprach Intels Chief Technology Officer Patrick Gelsinger über Technologien, die in Zukunft die Welt verändern sollen. Laut Gelsinger wird Moores Law über die nächsten Jahrzehnte die Entwicklung von Chips vorantreiben und auch Einfluss auf weitere Bereiche, wie drahtlose oder optische Geräte und Sensoren, haben.