Kolumne: Ex oriente lux [1]

Sun Tzu rät, den Gegner ohne Kampf zu überwältigen – in diesem Fall etwa mit photonischen statt elektronischen Chips?In der Elektronikindustrie kursiert seit der Mitte der 1980er Jahre das Gerücht der Photoschaltungen, die den Silikontransistoren weit überlegen seien. Nach anfänglichen Fanfaren wurde es beinahe still um diese Forschung, bis die Sanktionen des Westens sowohl die russische wie auch die chinesische Chipherstellung und -entwicklung angegriffen haben.

Bei diesen fragwürdigen Maßnahmen vergessen die Politiker häufig, sich mit der Kultur jener Länder zu befassen, die im Gegensatz zum kurzfristigen Profitdenken oft langfristig plant. Ein Baum, den man sofort zu Holz verarbeitet, kann zwar gleich 100 $ einbringen … oder aber nach zwanzig Jahren eine Mio. durch Naturtourismus. So ist vielleichtder ‚Chips and Science Act', der unter anderem etwa 52 Mrd. $ für neue oder erweiterte Anlagen zur Herstellung von Halbleitern oder Geräten zur Chipherstellung bereitstellt die falsche Vorgehensweise, wenn sie auf ‚alte' Technologien abzielt.

Zwar veranlassen solche Geldspritzen Firmen zur Neugründung von Fertigungsanlagen, jedoch ist die Meinung selbst bei internen Managern gespalten, wie etwa bezüglich des neuen US-Standorts von TSMC in Phoenix. Nicht nur dass die taiwanesische Regierung Unternehmen wie TSMC weiterhin ermutigt den ‚Silicon Shield' aufrechtzuerhalten, sondern sie nehmen auch an, dass die Produktionskosten in den USA weit höher liegen werden als in anderen bisherigen Standorten. Die Auswirkungen sehen sie dann in höheren Preisen für die Produkte und damit einen Schwund an Wettbewerbsfähigkeit.

In China wird unter anderem auch das Buch Sun Tzus studiert und dessen Strategien auf die Industrie angewendet. So ist es wohl irrig zu vermuten, dass die Industrie sich dort in einem Aufholkampf verausgabt, denn es ist wahrscheinlicher – und das hat die Vergangenheit bereits belegt – dass sie eher am Überholen interessiert ist. Denn laut Sun Tzus ‚Kunst des Krieges' ist die große Kunst des Krieges ‚den Gegner ohne Kampf zu überwältigen' [2].

Wo geht die Reise hin?

So meldet sich hier das Licht aus dem Osten, denn es hat den Anschein, dass sich chinesische Firmen – statt auf die 10 oder 3 nm [3] beim Silikonchip zu zielen – intensiv mit anderen und auch mit der photonischen Schaltung auseinandersetzen. Zwar werden bereits weitere Möglichkeiten angepeilt, wie etwa die Forschung bei den Quantencomputern belegt oder einigeWissenschaftler der Harvard-Universität es jetzt vormachten, indem sie topologische Transistoren bauten, die Schall anstelle von Elektronen modulieren. Aber hier kann man sich vielleicht auf die Lichtschaltungen einschießen.

Optische Tests im Wafer-Maßstab von integrierten Silizium-Photonik-Schaltungen auf einem 200 mm Silizium-auf-Isolator-Wafer nach der Herstellung in einer CMOS-FabrikDer Transistor wurde im Dezember 1947 erfunden und ist demnach bereits 75 Jahre alt. Seit ihrer Erfindung im Jahr 1947 wurden bis heute 13 Sx. [4] Transistoren hergestellt [5].Die Fragen nach ‚höher und weiter' stellt sich auch hier … und wo geht denn die Reise hin?

In etwas versteckten und kryptisch formulierten Artikeln wird die Katze aus dem Sack gelassen, und es scheint, dass der große Herausforderer Huawei, der US-amerikanischen Politikern schwer auf dem Magen liegt, dabei eine Schlüsselrolle spielt.

Heutige Mobiltelefone verwenden elektronische Chips und das wird wohl auch noch eine Weile so bleiben, denn photonische Chips werden erst einmal eine Entwicklung nachvollziehen müssen, bis sie so klein wie ihre elektronischen Vettern werden. Photonische Chips verwenden Silicium und siliziumbasierte Materialien als optische Medien.

Ein Lichttransistor (besser bekannt als optischer Transistor oder photonischer Transistor) arbeitet wie ein Schalter mit drei Anschlüssen, bei dem jedoch Photonen statt Elektronen die einzigen Ein- und Ausgänge sind.

Im Unterschied zu elektronischen Chips, bei denen der Elektronenfluss durch elektrische Komponenten wie Widerstände, Spulen, Transistoren und Kondensatoren geleitet wird, ist es bei photonischen Chips völlig anders. Bei ihnen passieren Photonen optische Komponenten wie etwa Wellenleiter (entspricht einem Widerstand), Laser (entspricht Transistoren), Polarisatoren und Phasenschieber.

Neben enormen Schaltgeschwindigkeiten bieten sie weitere Vorteile, wie etwa kaum Probleme mit dem Aufheizen, was bei den elektronischen Chips immer schwerer zu beantworten ist.

Zur Zeit ist abzusehen, dass photonische Chips nicht in Mobiltelephonen ihre Anwendung finden, sondern alleine schon wegen ihrer Größe eher in Datenzentren und Basisstationen der 5G-Technik ihre Nützlichkeit beweisen. Dort gibt es Platz und viele Möglichkeiten, Strom zu sparen.

Server saugen enorm viel Energie aus dem Stromnetz, wobei oft übersehen wird, dass der Hauptanteil des Verbrauchs durch die unbedingt nötige Kühlung sozusagen verschwendet wird. Keine Erwärmung hätte zur Folge, dass die Kühlung abgeschaltet werden könnte.

Ein kürzlich angemeldetes Patent betrifft einen photonischen Chip mit orbitalem Drehimpulswellenleiter – er wurde in China hergestellt. Mit einer derzeit zehnmal höheren Rechenleistung als aktuelle elektronische Chips liegt der Stromverbrauch bei 1 % des für elektronische Chips benötigten. Somit ist eine Wärmeableitung weitgehend unnötig.

Jetzt dürfen wir gespannt sein auf die weitere Entwicklung.

Eine Ingenieurin von Q.ANT bereitet einen photonischen Chip für den nächsten Arbeitsschritt vor

Zur Person

Prof. Rahn ist ein weltweit tätiger Berater in Fragen der Verbindungstechnologie. Sein Buch über ‚Spezielle Reflowprozesse' erschien beim Leuze Verlag. Er ist erreichbar unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, wohin auch Anfragen über In-Haus-Seminare gerichtet werden können.

Referenzen

[1] ‚Das Licht kommt aus dem Osten', (Lateinisches Sprichwort)
[2] Gefunden auf: https://www.myzitate.de/sun-tzu/
[3] Pablo Valerio: ‚Taiwan Already Has 3-nm Chips'; 9.1.2023, epsnews.com/2023/01/09/taiwan-already-has-3-nm-chips-why-the-u-s-lags/ (Abruf: 18.7.2023)
[4] Sextillionen – eine Zahl gleich 1 gefolgt von 21 Nullen
[5] www.waferworld.com/post/how-many-transistors-are-there-in-the-world

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