Rechenzentren und Netzwerkknoten weisen einen nur schwer stillbaren Hunger nach höchsten Datendurchsätzen und geringsten Latenzzeiten auf. Als Reaktion darauf haben sich Forschende am Fraunhofer IZM unter Koordination von IMEC in dem EU-geförderten Projekt PUNCH mit namhaften Partnern aus Forschung und Industrie zusammengeschlossen, um mit einer neuen Art optischer Schalter den Durchsatz bei Datennetzwerken spürbar zu erhöhen. Im Vergleich zu herkömmlichen Aufbauten ist die Datenübertragung achtmal schneller.
Die neu entwickelten photonisch integrierten Schaltungen (PICs) werden im Projekt PUNCH in ein elektrisches System integriert, sodass Netzwerkübertragungen künftig mit minimalen Verlusten und Verzögerungen auskommen. Die Datenübertragung über große Entfernungen funktioniert bereits heute optisch via Glasfaser. Die Systeme in Rechenzentren und Netzknoten wandeln diese optischen Signale jedoch immer noch in elektrische um: Die Laufzeiten in den elektronischen Systemen sind dann verantwortlich für Signalverzögerungen. Auch die Verlustwärme der elektronischen Schaltungen stellt ein massives Problem dar.
Neuartige optische Schaltungen bieten hier einen Lösungsansatz: Während die Datenverarbeitung immer noch elektronisch erfolgt, bringen die PICs die optischen Signale so nah wie möglich an die elektronischen Chips heran, wodurch sie Geschwindigkeit und Integrationsdichte signifikant erhöhen.
Zwei Technologien, ein gemeinsames Package
Während Projektpartner wie die University of Cambridge oder das imec die PICs entwickeln, befasst sich das Fraunhofer IZM mit der Entwicklung einer skalierbaren Packaginglösung. Die entscheidende Herausforderung beim PUNCH-Projekt lösen die Forschenden durch eine Zusammenführung von PICs und elektronisch integrierten Schaltungen (EICs) in einem heterogenen Fan Out Wafer Level Package (FOWLP). Dabei sind mehrere EICs und ein PIC in einem Package integriert und elektrisch miteinander verbunden.
Bisher haben die Wissenschaftler die Technologie für Testchips entwickelt und integrieren sie derzeit in funktionale Chips. Dieses Verfahren bietet dank einfacherer Aufbauart und kürzeren elektrischen Verbindungen eine gegenüber herkömmlichen Designs weitaus bessere Performance: So konnte die Übertragungsgeschwindigkeit im Netzwerk von aktuell 200 Gb/s auf 1,6 Tb/s verachtfacht werden. Die Technologie ist damit aber noch nicht an ihre Grenzen gestoßen – eine weitere Skalierung sei noch möglich.Mit Abschluss der Forschungsarbeiten, geplant ist hier der 31. August 2026, wollen die Forscher eine Lösung für zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz und garantierter Dienstqualität, weniger Netzwerküberlastungen, einem niedrigeren Energieverbrauch und geringeren Kosten für Schnittstellen bei der Übertragung großer Datenmengen vorstellen.
Das PUNCH-Projekt basiert auf einer Zusammenarbeit von Fraunhofer IZM, Phix BV, Ericsson, AT&S, Nvidia und der University of Cambridge unter der Koordination des IMEC. Die EU unterstützte im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms ‚Horizont Europa' das Projekt ‚Packaging of ultra-dynamic photonic switches and transceivers (PUNCH)' mit ca. 4,2 Mio. €.
