Rechnen mit Licht, CMOS und Silizium Die großen Silicon-Photonics-Pläne von Global Foundries

„Mein Job bei Global Foundries ist es, Silicon Photonics zu industrialisieren", hat sich Kevin Soukup im vergangenen Jahr bei seinem Besuch in München vorgestellt. Er ist bei dem Halbleiter-Produzent Senior Vice President des Silicon Photonics Business und war im Nachgang seiner Stippvisite bereit, auf die Fragen von Ulrike Ostler zu antworten.

Es gibt von Ihnen die Aussage: „Silicon Photonics - alle lecken sich die Finger danach, aber niemand will den ersten Schritt wagen.“ Warum ist das so?

Kevin Soukop: Silicon Photonics wird weithin als transformative Technologie gesehen, weil sie die bisherigen Grenzen elektrischer Interconnects bei Leistung, Bandbreite und Reichweite überwinden kann. Aber Early Adopter tragen ein überproportional hohes Risiko.

Co-Packaged Optics (CPO) verändert Systemarchitektur, Fertigung und Betrieb fundamental, und trotz überzeugender Laborergebnisse gab es lange nur begrenzte, großskalige Praxiserfahrungen, die gezeigt hätten, dass Silicon Photonics in Hyperscale -Datacenter zuverlässig läuft.

Über Kevin Soukup

Kevin Soukup ist Senior Vice President des Silicon Photonics Business bei Global Foundries, eine Position, die er seit 2024 innehat. In dieser Funktion leitet Soukup den Geschäftsbereich Silicon Photonics, der es den Kunden ermöglicht, enorme Datenmengen über schnelle und energieeffiziente elektro-optische Systeme zu übertragen.

Vor seiner jetzigen Tätigkeit war er als Chief Strategy Officer für die Entwicklung der integrierten Strategie des Unternehmens zuständig und sorgte dafür, dass sein Arbeitgeber über die entsprechenden Management-Systeme verfügt, um diese umzusetzen.

Soukup kam 2011 zu GF und bekleidete in den folgenden sieben Jahren Positionen mit wachsender Verantwortung in der Technologie-Entwicklung und im Produktionsbetrieb. Im Jahr 2018 wechselte Kevin Soukup zum VP of Business Transformation und half dabei, Global Foundries auf den Börsengang im Jahr 2021 vorzubereiten.

Vor seiner Laufbahn bei Global Foundries war Soukup elf Jahre lang bei der Halbleitereinheit von Samsung Electronics in technischen und operativen Führungspositionen tätig. Soukup hat einen Bachelor of Science in Chemie-Ingenieurwesen von der University of Florida. Derzeit ist er Mitglied des Verwaltungsrats des Branchenverbands Vuereal.

Und? Tut sich da etwas?

Kevin Soukop: Dieses Bild ändert sich jetzt, weil die richtigen „Law of the Few“-Akteure und belastbare Referenzen sichtbar geworden sind. Broadcom etwa hat Silicon Photonics CPO im Produktionsmaßstab demonstriert, und Meta hat über eine Million kumulierte 400G äquivalente Port-Stunden ohne Link Flaps offengelegt. Das ist ein direkter Beleg dafür, dass frühere Zuverlässigkeitsbedenken adressiert werden können. Nvidias anschließende Einführung und Unterstützung von CPO für AI Networking verstärkt dieses Signal zusätzlich.

Zusammen haben diese Player die Wahrnehmung von Silicon Photonics von einer vielversprechenden Idee hin zu einem glaubwürdigen „Default Path“ verschoben. In diesem Sinne beschreibt der Satz „everyone wants it, but no one wants to go first“ eher die Vergangenheit – die Kombination aus AI getriebener Dringlichkeit und nachgewiesener CPO Zuverlässigkeit deutet darauf hin, dass Silicon Photonics sich dem Tipping Point nähert.

Wie definiert Global Foundries eigentlich Silicon Photonics?

Kevin Soukop: Global Foundries versteht unter Silicon Photonics eine CMOS kompatible Fertigungsplattform, die photonische Bauelemente, um Daten mit Licht zu übertragen, zusammen mit elektronischen Komponenten integriert, um skalierbare optische I/O mit hoher Bandbreite und hoher Energieeffizienz bereitzustellen. Wir positionieren unsere Silicon Photonics Plattform „45SPCLO“ als funktionsreiche, hochflexible Implementierung dieses Ansatzes: Sie unterstützt integrierte Photonics + RF/CMOS Flows oder bei Bedarf reine Photonics Flows und bietet eine breite Basis an Devices/Libraries sowie Packaging und Test Readiness.

Damit können unsere Kunden optische Transceiver über zentrale Formfaktoren hinweg entwickeln, darunter pluggable Modules und Co-Packaged Optics (CPO), aber auch angrenzende Use Cases wie optical Interposers, photonic Compute, LiDAR und weitere Sensing-Anwendungen adressieren. Die Roadmap von Global Foundries zielt dabei explizit darauf, Datenraten weiter zu steigern. Das schließt Bandbreitenziele jenseits von 400G/λ ein, um Performance und Effizienz für die nächste Generation optischer Konnektivität zu skalieren.

Sie wollen die Fertigungskapazität von Photonics-Chips in Malta, New York, in diesem Jahr verdoppeln. Warum nur auf einer Fertigungslinie? Europa wäre dafür ein sehr interessanter Markt.

Kevin Soukop: Der Kapazitätsausbau in Malta wird auf einer einzelnen Fertigungslinie umgesetzt, weil es sich um einen gezielten, disziplinierten Scale up handelt, der an die aktuelle Kundennachfrage und den Reifegrad der Technologie gekoppelt ist – nicht um eine grundlegende Neuausrichtung des gesamten Footprints. Global Foundries fertigt Silicon Photonics bereits heute in hohen Stückzahlen in unserem Werk in New York und in unserer 'GigaFab' in Singapur und verfügt damit schon jetzt über bewährte, geografisch diversifizierte Kapazitäten.

Die jüngste Übernahme von Advanced Micro Foundry (AMF) in Singapur (siehe Kasten „Advanced Micro Foundry gehört zu Global Foundries“) erweitert unsere Silicon-Photonics-Kundenbasis damit zusätzlich und stärkt die gebündelte Nachfrage über diese Standorte hinweg. In Summe ermöglicht dieses vernetzte Fertigungsmodell, Europa und andere Regionen effizient über mehrere Fabs zu bedienen, während Malta selektiv ausgebaut wird, um die bestehende globale Kapazität zu ergänzen – nicht zu duplizieren –, während der Markt weiter skaliert.

Die Technologie basiert auf Silizium;. Doch gibt es dazu eine neue Trägerschicht und, wenn ja, aus welchem Material besteht sie?

Die Silizium-Nachfolge

Halbleiter aus Glas

Vielversprechendes Halbleitermaterial

Was ist Siliziumkarbid und wo sind die Vorteile?

Kevin Soukop: Die Technologie ist heute grundsätzlich weiterhin Silizium basiert, aber die Frage nach einer neuen „Carrier Layer“ gewinnt an Bedeutung, je stärker die Grenzen des Stitchings mehrerer Reticles zur Realisierung immer größerer Interposer sichtbar werden. Interposer sind entscheidend, weil sie es ermöglichen, Memory, xPU Compute und zunehmend auch Optical Engines Seite an Seite auf demselben Silizium Träger zu platzieren und so hochbandbreitige, latenzarme heterogene Integration zu realisieren.

Derzeit sind diese Interposer überwiegend aus Silizium, und Global Foundries treibt aktiv elektro-optische Interposer voran, die elektrische und optische Signale über mehrere Reticle Felder hinweg kombinieren, um Bandbreite und Reichweite zu erhöhen. Mit Blick nach vorne gibt es allerdings einen zunehmenden Branchendiskurs über alternative Trägermaterialien, insbesondere glasbasierte Interposer, ursprünglich aus der Display-Industrie getrieben. Damit sollen Limitierungen bei Silizium Reticle Scaling, Kosten und Größe überwindbar werden und noch größere, stärker integrierte Multi Die Systeme ermöglichen.

Hochleistungschips für Rechenzentren

Wo Silizium und Quanten die Grenzen verschieben

'Computing with Light' kann die Grenzen von CMOS überwinden, insbesondere für AI, etwa weil deutlich mehr Datenpunkte komplexere Algorithmen ermöglichen. Ist das bei Globa Foundries ebenfalls der Fall? Wer sind die Hardware Partner? Wann werden wir die ersten Anwendungen in Rechenzentren sehen?

Kevin Soukop: Das Rechnen mit Licht hat das Potenzial, die Grenzen von CMOS zu ergänzen und in bestimmten Workloads teilweise zu überwinden – insbesondere für AI –, indem massiv parallele Operationen, hohe Bandbreite und geringerer Energiebedarf für Datenbewegung ermöglicht werden. Gleichzeitig ist Photonic Compute noch ein vergleichsweise junges Feld.

Viele frühe Initiativen in diesem Bereich hatten zunächst volloptisches Rechnen als Ziel, sind aber auf photonic Interconnects umgeschwenkt, als deutlich wurde, dass Networking und Datenbewegung die unmittelbareren Flaschenhälse in großskaligen Systemen darstellen.

Da CMOS-Nodes weiter schrumpfen, steigen Leistungsdichte und Energieverbrauch von xPUs jedoch stark an. Das treibt ein erneutes Interesse daran, Silicon Photonics nicht nur für Interconnect, sondern auch für einzelne Compute Primitive zu nutzen. Mögliche Vorteile sind extrem hoher Durchsatz für Linear Algebra Operationen, geringere Energie pro Operation und die Fähigkeit, mithilfe der Physik des Lichts viele Datenpunkte gleichzeitig zu verarbeiten.

Aus Sicht von Global Foundries ist dies ein Feld aktiver Exploration im gesamten Ökosystem, aber als Pure Play Foundry äußern wir uns nicht zu konkreten Kunden oder Partnerprojekten. Auf Branchenebene zeichnet sich ab, dass erste Datacenter-Anwendungen hybrid sein werden, also: CMOS-Logik mit Silicon Photonics kombinieren, um bestimmte Funktionen zu beschleunigen, statt General Purpose Compute vollständig zu ersetzen.

Auf Basis des heutigen Reifegrads der Technologie, der Ökosystem-Readiness und der Herausforderungen in der Systemintegration werden die ersten nennenswerten Photonic Compute gestützten Anwendungen in Rechenzentren im Zeitraum 2028 bis 2030 erwartet.

Wie positioniert sich Global Foundries bezüglich (Silicon) Photonics im Vergleich zum Wettbewerb?

Kevin Soukop: Global Foundries differenziert sich durch eine hochintegrierte, fertigungsreife Silicon Photonics Plattform, die weit über die bloße Verfügbarkeit diskreter Bauelemente hinausgeht. Unsere Plattform unterstützt nativ DR/FR (CWDM), mehrwellige dWDM Lösungen und ein breites Portfolio differenzierender Photonics Building Blocks. Darunter zählen auch Micro Ring Modulators (MRMs), Mach Zehnder Modulatoren (MZMs), integrierte Germanium basierte Photodetektoren sowie breitbandige Fiber Couplers, die sowohl permanente als auch detachable Fiber Attach Lösungen ermöglichen (sihee Kasten: „Glossar)“.

Das wird ergänzt durch einen neuartigen, 'cavity'-basierten optischen Kopplungsansatz, der mit mehreren Anbietern für 'detachable' - getrennte, abnehmbare, Fiber Lösungen kompatibel ist und Kunden dadurch Flexibilität auf Modul und Systemebene gibt. Im Unterschied zu vielen Wettbewerbern, die primär Photonics only Flows adressieren, unterstützt Global Foundries eine enge Co-Integration von Photonics mit integrierten oder diskreten elektrischen ICs und ermöglicht so höhere Systemoptimierung und Performance.

Hinsichtlich Skalierung, Ökosystem und Enablement ist Global Foundries im Markt darüber hinaus einzigartig positioniert. Mit der Übernahme von AMF ist das Unternehmen nun die umsatzstärkste Pure Play Silicon Photonics Foundry, getragen von einem globalen Fertigungs-Footprint in den USA und Singapur.

Kunden profitieren von einem MPW Programm, das die Einstiegshürde für Prototyping senkt, sowie von einem stark differenzierten PDK, das sowohl photonische als auch elektronische Device-Modelle umfasst. Es unterstützt eine schemabasierte Designmethodik ebenso wie detaillierte Device Level Simulationen für Teams, die ohne Schaltplandiagramme arbeiten möchten.

Diese End-to-End-Strategie wird durch das im Januar 2025 angekündigte Advanced Photonics and Packaging Center (siehe Kasten: „Das Advanced Photonics and Packaging Center“) untermauert und unterstreicht unser Commitment für eine sicheres, skalierbares und vollständig integriertes Photonics Fertigungs- und Packaging-System, das nur wenige Wettbewerber bieten können.

Welche Einschränkungen für Silicon Photonics gibt es derzeit – technisch und wirtschaftlich?

Kevin Soukop: Die Einführung von Silicon Photonics wird heute durch eine Reihe technischer und wirtschaftlicher Rahmenbedingungen geprägt, die sukzessive reduziert werden, statt grundsätzliche als Blocker zu wirken. Auf technischer Seite erfordern Themen wie die Integration von Photonics und CMOS, Packaging und Test-Komplexität, Laserintegration sowie der Reifegrad des Ökosystems (PDKs, EDA, OSAT Readiness) weiterhin koordinierte Investitionen und Skalierung.

Ökonomisch waren frühe Silicon Photonics Deployments mit höheren initialen CAPEX und OPEX verbunden, bedingt durch spezialisierte Prozessschritte, Packaging Flows und geringere Anfangsvolumina im Vergleich zu reifen elektronischen CMOS Nodes. Diese Faktoren entwickeln sich jedoch zunehmend zu vorgelagerten Einmalinvestitionen, statt zu dauerhaften Kostennachteilen, da sich die Plattformen stabilisieren und die Fertigung in standardisierte High Volume Flows übergeht.

Global Foundries ist diesen Hürden proaktiv mit kontinuierlichen CAPEX und OPEX Investitionen in Silicon Photonics Plattformen, Advanced Packaging, Testinfrastruktur und Ökosystem Enablement begegnet. Das Ergebnis sind technisch ausgereifte, produktionsbewährte Plattformen mit monolithischer Integration, packaging fertiger Infrastruktur, Dual Region Fertigung und einem robusten Partnernetzwerk über Design, Packaging und Fiber Attach hinweg.

Mit der zunehmenden Nutzung von Silicon Photonics für Optical Transceivers kann diese installierte Basis an Fertigungs , Packaging und Testinfrastruktur effizient für angrenzende Märkte wie Co-Packaged Optics, AI System Interconnects, Sensing und weitere wachstumsstarke Anwendungen genutzt und erweitert werden. Das senkt die zusätzlichen Kosten, verkürzt die Time to Market und macht frühe Investitionen zu einem nachhaltigen Wettbewerbsvorteil.

In der Folge #61 der DataCenter Diaries „Michael Förtsch: Photonik ändert die Gesetzmäßigkeiten“ diskutiert Michael Förtsch im Gespräch mit der Chefredakteurin von DataCenter-Insider Ulrike Ostler den Stand des analogen Rechnens mit Licht und Anwendungsszenarien für Rechenzentren.

Zudem geht es um die Herausforderungen bei der Skalierung, Konkurrenz und Kompatibilität mit klassischen Hardware, Produktions- und Lizenzierungsmodelle sowie die Rolle von Quantencomputing im Zusammenspiel mit photonischen Chips.

Die Podcast-Folge #61 der DataCenter Diaries findet sich auf Spotify, Apple Podcasts, Deezer und Amazon Musik.

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