Die Zukunft der Recheneinheiten strahlt hell, und zwar bald

Silicon Photonics – gedruckte Chips und Rechnen mit Licht

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Eine der wesentlichen Voraussetzungen, um Silicon Photonics massentauglich zu machen, sind passende Kabel und Stecker. Mit Clearcurve-Kabel von Corning lassen sich Glasfaserkabel auf eng bestückten Leiterplatten verlegen. Referenz-Designs gibt es bereits.
Eine der wesentlichen Voraussetzungen, um Silicon Photonics massentauglich zu machen, sind passende Kabel und Stecker. Mit Clearcurve-Kabel von Corning lassen sich Glasfaserkabel auf eng bestückten Leiterplatten verlegen. Referenz-Designs gibt es bereits. (Bild: Corning)

Aus energetischen, kommunikations- und fertigungstechnischen Gründen gerät die konventionelle IT zunehmend an den Rand des Machbaren. Die Integration von Photonen erzeugenden und transportierenden Technologien auf Silizium-Wafern, so genannte Silicon Photonics, sollen nun einen Generationensprung in Elektronik und IT auslösen.

Die konventionelle Elektronik und Kommunikationstechnik nähert sich ihren Grenzen. Das liegt besonders an der Kommunikationstechnik. Prozessoren sind in den letzten Jahren durch die Konzentration mehrerer Rechenkerne auf einer CPU und Virtualisierung um Dimensionen leistungsfähiger geworden.

Mobile Datenverarbeitung, soziale Netze und die zunehmende Nutzung digitaler Bildmedien treiben die Entstehung unvorstellbarer Datenmassen voran – sie sollen sich bis 2020 im Bereich der Exabytes bewegen. Pro Minute werden weltweit laut Daten von Intel 168 Millionen E-Mails versandt und rund 1,8 Terabyte Daten erzeugt. Außerhalb des Rechenzentrums fließen die Datenmassen in der Regel über Glasfasern, deren vielerorts brachliegende Kapazität damit nach Jahren nun endlich ausgenutzt wird.

Doch innerhalb des Rechenzentrums und vor allem innerhalb der Racks ist weitgehend noch „Kupferzeit“. Das führt bei den hochintegrierten Systemen von heute zu unübersichtlichem Kabelwirrwarr und hohem Energieverbrauch nebst Kühlproblemen.

Die heutigen Probleme stapeln sich

Schon die Prozessoren allein nähern sich bei der Energie pro Quadratzentimeter laut Professor John Browers, an der UCSB (University of California, Santa Barbara) Direktor des Institute for Electrical Efficiency, in einer über Youtube zugänglichen Präsentation, den Werten für Atomreaktoren. Heißer als eine Herdplatte sind sie längst. Dazu kommen Arbeitsspeicher und Ein-/Ausgabeschnittstellen.

Der Elektrizitätsverbrauch von Rechenzentren ständig, obwohl der Energieverbrauch pro Bit seit Beginn der Kommunikationstechnik genauso stetig sinkt. Doch die Datenmassen machen bisher alle Einspareffekte auf Bit-Ebene vollständig zunichte. „Wir müssen den Energieverbrauch pro Bit deshalb auf ein Tausendstel heutiger Werte senken“, sagt Browers. Das würde bedeuten: Heute benötigt man rund 10-9 Joule (J) (1/100000000), um ein Bit 1000 Kilometer weit zu befördern – schon 2020 sollen es nur noch 10-12 J (1/100000000000) sein. Zur Veranschaulichung: Ein Joule erwärmt ein Gramm Wasser um zirka 0,24 Kelvin.

Zwangsjacke für Server und Memory

Zudem müssen sich alle Server-Kernkomponenten heute noch in mehr oder weniger unmittelbarer Nähe zueinander befinden, weil sonst wegen der begrenzten Übertragungsgeschwindigkeit der Kupferleitungen unzumutbare Verzögerungen eintreten – beispielsweise zwischen Arbeitsspeicher und Prozessor. Verändert sich heute eine Komponente auf dem Server-Board, beispielsweise der Prozessor, müssen oft auch die übrigen Komponenten mit der Server-Karte ausgetauscht werden.

Weitere Probleme ergeben sich in der Fertigungstechnik: In heutigen Switch- und Router-Systemen steckt viel Handarbeit am Mikroskop. Mit zunehmender Integrationsdichte wird diese aber immer schwieriger und ist zudem, verglichen mit der Produktion in einer Silizium-Fab, teurer und weniger zuverlässig.

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