Das Gerät, das auf Silizium und Bariumtitanat basiert, antizipiert die Anforderungen des Marktes in den nächsten drei bis vier Jahren und öffnet die Tür zu schnellerem und effizienterem optischem Rechnen.
„Der Chip verfügt über einen Hochgeschwindigkeitstuner, der zudem nichtflüchtig sein kann, also keine konstante Stromversorgung benötigt. Dadurch lässt sich der Energieverbrauch im Vergleich zu aktuellen Schaltungen exponentiell reduzieren“, betont José Capmany, Direktor des PRL-UPV und Hauptforscher des Projekts, dessen Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht wurden.
Darüber hinaus erreicht es Schaltzeiten in der Größenordnung von 80 Nanosekunden und ist damit deutlich schneller als herkömmliche thermooptische Systeme. „Die Einstellgeschwindigkeit ist somit mehr als zwei Größenordnungen höher als bei der aktuellen Technologie, was den Einsatz in Anwendungen mit sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht, beispielsweise zur Bereitstellung alternativer Verbindungswege in Rechenzentren im Fehlerfall“, ergänzt Cristina Catalá, Erstautorin des Artikels und derzeitige Postdoktorandin an der Universität Twente
Zu den Hauptanwendungen dieses neuen Chips zählen 6G-Kommunikation, Rechenzentren, künstliche Intelligenz, das Internet der Dinge, Sensoren, moderne Medizin, photonisches Rechnen und Quantentechnologien. In all diesen Bereichen wächst laut der Abteilung für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz der UPV der Bedarf, mehr Informationen mit weniger Energieverbrauch zu verarbeiten, stetig.
Es funktioniert wie ein leichter Mikroprozessor
Das Gerät fungiert als eine Art „leichter Mikroprozessor“: Es lässt sich für verschiedene Aufgaben rekonfigurieren, verarbeitet aber anstelle elektrischer Signale optische Signale. Der Schlüssel zu seiner Entwicklung liegt in der Verwendung einer Hybridplattform aus Silizium und Bariumtitanat, einem ferroelektrischen Material, das seinen programmierten Zustand beibehalten kann.
„Im Gegensatz zu herkömmlichen photonischen Systemen, die eine kontinuierliche Stromversorgung benötigen, um ihre Konfiguration beizubehalten, kann dieser Chip den programmierten Schaltkreis ohne ständige Stromversorgung ‚speichern‘“, erklärt Daniel Pérez, CTO von iPronics, einem Spin-off-Unternehmen der UPV, das ebenfalls an der Studie beteiligt war. Diese Eigenschaft ermöglicht es, eines der größten Hindernisse für programmierbare integrierte Photonik zu überwinden: den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung bei der Skalierung von Schaltkreisen.
„Bei den derzeitigen Technologien, die auf thermooptischen Effekten basieren, benötigt jedes programmierbare Element konstante Energie, was die Entwicklung von Chips mit Tausenden von Komponenten erschwert. Das neue Gerät reduziert diesen statischen Stromverbrauch auf nahezu null. Im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Chips ermöglicht unser System die Manipulation von Informationen mithilfe von Licht, wodurch Verluste reduziert und neue Möglichkeiten für zukünftige Computerarchitekturen eröffnet werden“, so José Rausell, Mitglied des PRL-Teams.
Neben dem PRL-Team haben auch Forscher von iPronics Programmable Photonics SL – hervorgegangen aus den iTEAM-UPV-Laboren; der Schweizer Firma Lumiphase AG und der französischen Firma CEA Leti – einer der wichtigsten Hersteller von Silizium-Photonik-Chips in Europa; sowie der Universität Westattika in Griechenland an der Entwicklung mitgewirkt.
Die Entwicklung dieses neuen Chips ist eines der Ergebnisse von NEoteRIC, dem ersten europäischen Projekt, das programmierbare Photonik (die mit Lichtwellen arbeitet) für biomedizinische Anwendungen einsetzt – eine „bahnbrechende Technologie, die das Potenzial hat, viele Bereiche, darunter die medizinische Diagnostik, zu revolutionieren“. Sie ist außerdem Teil der ERC Advanced Grants ANBIT und LS-PHOTONICS, die sich mit der Anwendung programmierbarer Photonik im Computerbereich bzw. der Skalierung programmierbarer photonischer Schaltungen befassen.
Über das Photonics Research Lab
Das Photonics Research Lab (PRL) ist eine Gruppe an der Polytechnischen Universität Valencia (UPV), die wissenschaftliche Projekte mit echter Wirkung fördert und Photonik und Optik in strategischen Sektoren wie Telekommunikation, Mobilität, Biomedizin oder Industrie anwendet.
PRL besteht aus mehr als 50 Forschern und ist eine multidisziplinäre Gruppe, die sich einer Wissenschaft verschrieben hat, die über das Labor hinausgeht und Lösungen hervorbringt, die Prozesse verbessern, die Wettbewerbsfähigkeit steigern und der Gesellschaft direkt zugutekommen.
