„Moore's Law“ geht zu Ende. Werden photonische Chips die Zukunft der Elektronikindustrie sein?

„Die Anzahl der integrierten Transistoren in einem Chip wird sich voraussichtlich alle 24 Monate verdoppeln.“ - Ich glaube, jeder kennt das „Mooresche Gesetz“, das vom Intel-Mitbegründer Gordon Moore vorgeschlagen wurde. In den vergangenen vier Jahrzehnten wurde die IT-Branche von diesem Gesetz getrieben. Da sich die Entwicklung herkömmlicher elektronischer Chips in den letzten Jahren jedoch verlangsamt hat, gehört das „Mooresche Gesetz“ allmählich der Vergangenheit an. In Zukunft könnten neue Chips auf Basis photonischer Technologie die Beschränkungen von Schaltkreiskomponenten überwinden und Computer mit höheren Rechengeschwindigkeiten ermöglichen.

Moores Gesetz nähert sich seiner physikalischen Grenze

Wie wir alle wissen, folgte die Entwicklung der Computerindustrie in den letzten Jahrzehnten stets dem „Mooreschen Gesetz“: Die Größe der Transistoren in Halbleiterschaltungen wurde immer kleiner, und die Zahl der Transistoren, die auf einem einzigen Chip untergebracht werden können, wurde immer größer, und die Zahl der Transistoren verdoppelte sich iterativ alle 18 bis 24 Monate. Die zunehmende Anzahl an Transistoren führt zu schnelleren und effizienteren Prozessoren – das heißt, die Leistung elektronischer Produkte zum gleichen Preis verdoppelt sich alle 18 bis 24 Monate.

Um in der schnell wachsenden IT-Branche Fuß zu fassen, haben sich die Chiphersteller daher der Entwicklung kleinerer Transistoren verschrieben. Die Größe von Transistoren ist von 100 Millimetern im Jahr 1907 auf 14 Nanometer heute gestiegen. Im vergangenen Oktober ging ein Forscherteam am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA noch einen Schritt weiter und entwickelte erfolgreich einen Transistor mit einem Gate (der Komponente, die den Strom im Transistor steuert), das nur 1 Nanometer lang ist – kleiner als eine DNA-Kette (2,5 Nanometer).

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Chiptechnologie ist das „Mooresche Gesetz“ jedoch allmählich an die Grenzen physikalischer Gesetze gestoßen und zeigt seit Beginn des 21. Jahrhunderts Anzeichen einer „Verlangsamung“. Derzeit hat die Größe von Transistoren den Nanometerbereich erreicht und die Möglichkeit einer weiteren Verkleinerung wird immer geringer. Die Entwicklungskurve des „Mooreschen Gesetzes“ scheint ihre Grenze erreicht zu haben.

Tatsächlich ist sich auch die Chipindustrie der Tatsache bewusst, dass die Transistorgröße ihre Untergrenze erreicht. Im vergangenen Jahr veröffentlichte die Semiconductor Industry Association der Vereinigten Staaten, vertreten durch Intel, AMD und Global Foundries, einen Bericht, in dem es hieß, dass eine Verkleinerung der Siliziumtransistoren ab 2021 wirtschaftlich nicht mehr rentabel sein werde. Stattdessen werden sich die Chips auf andere Weise verändern.

Neue photonikbasierte Chips könnten diesen Stillstand durchbrechen

In jüngster Zeit haben Forscher ihren Schwerpunkt schrittweise von der Erhöhung der Transistoranzahl auf die Verbesserung der Transistoreffizienz verlagert, in der Hoffnung, neue Chips zu bauen, die Informationen effizienter verarbeiten können. „Chiptechnologie kombiniert mit Photonik wird die Zukunft der Elektronikindustrie sein.“ - sagten Wissenschaftler, vertreten durch Arnab Hazari, einen Materialwissenschaftler an der University of Michigan.

Derzeit basieren Transistoren zur Informationsübertragung auf der Bewegung von Elektronen. Da Photonen im Chip keinen elektromagnetischen Widerstand erfahren, ist ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit höher als die von Elektronen und erreicht mehr als das Zwanzigfache. Das bedeutet: Ersetzt man die elektronischen Signale in den Halbleiterschaltkreisen durch Photonen, lässt sich die Rechengeschwindigkeit von Computern um ein Dutzend Mal steigern, ohne die Größe des Chips zu verändern – folgt man der Logik des „Mooreschen Gesetzes“, wird es mehr als ein Dutzend Jahre dauern, bis dieses Ziel erreicht ist.

Auch die Durchbrüche der Wissenschaftler in der Photonenchipforschung der letzten Jahre haben die Machbarkeit dieser Lösung bestätigt. Ende 2015 entwickelte ein Forscherteam aus den USA den weltweit ersten photonischen Chip, der Laser zur Datenübertragung nutzt. Der Chip kann Informationen mit einer Geschwindigkeit von 300 Gbit/s pro Quadratmillimeter verarbeiten und ist damit zehnmal schneller als vorhandene Standardprozessoren. Dies zeigt, dass photonische Chips ein großes Potenzial zur Verbesserung der Rechengeschwindigkeit von Computern haben.

Darüber hinaus haben viele Unternehmen die Chance dieses Wandels genutzt und sich dem „Kampf“ um die Forschung und Entwicklung neuer Technologien angeschlossen. Beispielsweise entwickelt das britische Unternehmen Optalysys Hochleistungscomputer auf Basis photonischer Technologie speziell für die Verarbeitung genomischer Daten. während sich das französische Unternehmen LightOn der Entwicklung von Datenverarbeitungssystemen auf Basis der Lasertechnologie widmet.

Allerdings steckt die Forschung und Entwicklung photonischer Chips noch in den Kinderschuhen. Wenn die Technologie offiziell eingeführt und wirklich kommerzialisiert werden soll, stehen die Forscher noch vor vielen Herausforderungen: Wie lassen sich neue Photonenchips besser in die elektronischen Bahnen vorhandener Computer integrieren, wie lässt sich eine stabilere Photonensteuerungstechnologie erreichen usw.

Arnab Hazari kam zu dem Schluss, dass photonische Geräte derzeit zwar weniger Aufgaben erfüllen können als elektronische Chips, die seit Jahrzehnten entwickelt werden. Doch mit fortschreitender Forschung werden photonische Chips bald mit herkömmlichen Chips gleichziehen und zur Kerntechnologie der neuen Computergeneration werden.

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