Schnellstmögliche Daten­über­tra­gung zwischen CPU und Speicher Photonics macht Licht­geschwindigkeit möglich

Branchenprimus Intel setzt derzeit unter anderem auf Prozessoren, die neben der steigenden Rechenleistung noch flotter als bisher mit der Außenwelt kommunizieren können. Doch auch andere namhafte Konzerne der IT-Branche beschäftigen sich intensiv mit dem Thema Licht.

Anbieter zum Thema

Fujitsu Technology Solutions GmbH

QUNIS GmbH

Fivetran Germany GmbH

Hewlett Packard Enterprise

Intel Deutschland GmbH

Der Weltmarktführer der Halbleiterindustrie steht unter Druck. Seine Jahrzehnte lange Dominanz bei Prozessoren für Computersysteme, vor allem für Personal Computer, genügt nicht mehr, um die Führungsposition zu behalten. Der in Santa Clara, Silicon Valley, ansässige Konzern muss daher für die IT-Welt neue Wege aufzeichnen, will er nicht in den Hintergrund geraten.

Im Rahmen dieser Herausforderung zeigte Intel-Managerin Diane M. Bryant auf dem Intel-Entwicklertreffen (IDF) in San Francisco zwei neue optische Transceiver, die für schnelle Datenübertragung in Lichtgeschwindigkeit aus dem Prozessor heraus sorgen sollen. Das sind nach Einschätzung von Marktbeobachtern wohl die ersten Angebote, die als wirkliche Produkte auf dem Markt kommen.

Langer Weg bis zur Produktreife

Die Vorstellung beider Transceiver von Intel kommt nicht aus heiterem Himmel, sondern ist ein Produkt einer langjährigen Entwicklung. Der Fachausdruck dieses Aufgabenfeldes wird Silicon Photonics genannt. Das Thema gibt es schon seit mehr als zehn Jahren und wird von der Branche mit großem Interesse verfolgt. Es gab aber bisher noch keine Produktankündigungen. Das könnte sich nach der jüngsten Intel-Präsentation ändern.

Ein Blick zurück: Die Wissenschaft sucht schon seit längerem einen Chiptyp, der früher mit dem Arbeitsnamen "photonischer Netzwerke-on-Chip (NoC)" bezeichnet wurde. Es geht um eine schnelle Verbindung direkt in die leistungsstarken Rechner-CPUs. Dabei soll ein auf dem Chip integrierter Laser – praktisch in Lichtgeschwindigkeit – für schnelle Datenübertragung ohne Medienbrüche sorgen. Die Anforderungen an ein solches photonisches Verbindungsnetz sind höhere Bandbreite und niedrigere Verzögerungen (Latenzen) bei deutlich geringerer Verlustleistung.

Angesichts dieser Herausforderung wurde in den letzten Jahren Zug um Zug die Photonics genannte Technik auf Silizium gebracht. Sie soll kostengünstigeren Lösungen ermöglichen. Intel hat auf den Entwicklerforen regelmäßig in den jeweiligen Keynotes darüber berichtet.

Mit Silicon Photonics ist somit ein Bereich entstanden, der ein weitreichendes Potenzial in sich trägt, wird doch Licht als Übertragungsmedium einzusetzen für viele Anwendungsfelder gesucht. Dazu gehören biologische und chemische Sensorik, Navigation, Radiofrequenzerkennung und Kommunikation. In vielen Anwendungen ist es inzwischen dringlich, die Arbeiten mit großen Datenmengen zu beschleunigen, um die Ergebnisse in quasi Echtzeit zum Anwender zu bringen.

Intels neue Photonics Transceiver

Nun ist mit den in San Francisco vorgestellten Transceivern offensichtlich ein Produkt herangereift, wenn auch mit ziemlicher Verspätung. Die von Diane Bryant gezeigten Transceiver mit On-Chip-Laser sollten eigentlich schon Anfang 2015 fertig sein.

Nach Angaben von Intel kommunizieren die beiden gezeigten Versionen mit 100 GBit/s pro Richtung bei zwei Glasfasersträngen (lanes). Später soll dann noch eine Version mit 400 GBit/s (QSFP28) hinzukommen, die mit jeweils vier Glasfasern arbeiten.

Die beiden Produkte sind nach Angaben von Intel ab sofort in größeren Produktionsmengen lieferbar:

• Intel Silicon Photonics 100G CWDM4 (Coarse Wavelength Division Multiplexing 4-lane ) QSFP28 Optical Transceiver

• Intel Silicon Photonics 100G PSM4 (Parallel Single Mode fiber 4-lane) QSFP28 Optical Transceiver unterstützt bei hoher Bandbreite 100 GbE optische Verbindungen über eine single-mode Glasfaser.

Beide Transceiver sind Komponenten, die in einem kleinen Formfaktor für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten bei niedrigem Energieverbrauch sorgen sollen. Zielanwendungen sind optische Verbindungen zur Datenkommunikation, wie man sie in größeren Clouds und Rechenzentren von Unternehmen findet. Zusätzlich können sie aber auch bei Anwendungen der Telekom-Anbieter eingesetzt werden.

Was ist Silicon Photonics?

Silicon Photonics verbindet einen Prozessor Chip (Integrierter Schaltungkreis) und den Halbleiter-Laser. Dadurch ist es möglich, dass Daten über das Medium Licht gesendet und empfangen werden. Dieses Zusammenfließen von zwei der wichtigsten IT-Erfindungen des 20. Jahrhunderts macht es möglich, dass eine sehr schnelle Datenübertragung über größere Entfernungen als bei herkömmlichen Elektronik erfolgen kann. Das ist in vielen heutigen Anwendungen gefragt

Ergänzendes zum Thema

Auch IBM und HPE forschen an dem Thema

IBM

Im Mai 2015 hat IBM in seinen Laboratorien in Yorktown Heights bekanntgegeben, dass ein Meilenstein in der Entwicklung von Silicon Photonics Komponenten gelungen sei. Zum ersten Mal hätten IBM-Ingenieure eine Halbleiterkomponente entwickelt und getestet, die als voll integrierter Multiplex-Silizium-Photonics-Chip die Herstellung von optischen Transceivern mit einer Übertragungsrate von 100 GBit/s erlaube.

Dieser Chip benutzt vier unterschiedliche Farben des Lichts, die jeweils 25 GBit/s übertragen. Im Unterschied zu traditionellen Kupferverbindungen, wie sie bisher bei der Vernetzung von Computersystemen üblich sind, ist es nach Angaben von IBM nun mithilfe eines optischen Transceivers möglich, mit Licht in 1 Sekunde etwa 63 Millionen Tweets (Twitter Nachrichten) oder sechs Millionen Bilder zu übertragen.

Innerhalb von 2 Sekunden sei sogar möglich, einen kompletten High-Definition-Film durch die Glasfaser zu übertragen. An dieser Entwicklung haben IBM-Ingenieure in New York und Zürich gearbeitet. Ergebnis war ein Referenzdesign, nach dem Daten zwischen zwei Rechenzentren mit einer Single-Mode-Faser ohne Zwischenverstärker mit einer Reichweite von etwa 2 km übertragen werden können.

HP Enterprise

Bei HPE ist das Thema Silicon Photonics in dem großen Projekt "The Machine" angesiedelt. Das ursprünglich von Martin Fink in den HP Labs angestoßene Projekt wird nun von Hewlett Packard Enterprise betreut. Dabei war aus Palo Alto zu hören, dass das Thema an oberster Stelle der Prioritätenliste stehen würden.

Es soll bereits beim ersten Prototyp von "The Machine" an Bord sein. Die Markteinführung ist für einen späteren Zeitpunkt dieses Jahres geplant. In einer Vorschau war davon die Rede, dass das entsprechende HPE T1 Optical Module in der Lage sein soll, Daten in einer Geschwindigkeit von 1,2 Terabit pro Sekunde zu übertragen.

Beseitigt Engstellen im Netzwerk

Ein zusätzliches Ziel des Einsatzes von Silicon Photonics ist es, die Betriebskosten zu reduzieren und die Prozessleistung von Rechenzentrumsarchitekturen generell deutlich zu verbessern. Dies geschieht vor allem durch Aktivieren hoher Bandbreiten, Software-konfigurierbarem Zugang zu den Daten sowie deren Speicherung.

Software-definierte Infrastrukturen (SDI) sind ein Schlüssel dafür, die Hardware- und Software-Ressourcen in so strukturierten Rechenzentren zu entkoppeln. Dabei ist es nötig, optische Verbindungstechniken wie etwa Smart-NICs, FPGAs und Intels Omni-Path Architektur in den Strukturen interoperabel zuzulassen.

"Seien Sie nicht erstaunt, wenn Sie in nächster Zeit photonische Geräte auf dem Markt oder in großen Anlagen eingesetzt sehen", sagt David Calhoun, ein promovierter Wissenschaftler des Columbia University Lightwave Research Laboratory. Der Wissenschaftler erforscht schon seit längerem die Integration von photonischen Bauelementen in verschiedenen Einsatzgebieten, von Rechenzentren bis zu Datenbanken, aber auch im Alltag der Verbraucher.

(ID:44335801)