Ein perfekter Sturm: Größere Datenmengen, höherer Stromverbrauch und größere Bandbreite treiben Alternativen zum herkömmlichen CMOS-Chipherstellungsprozess voran

Fast fünf Milliarden Internetnutzer nutzen, erstellen und teilen gigantische Datenmengen. 

Während die Menge und die Art der Daten zunehmen, ist die Zahl der Möglichkeiten, Daten zu erstellen und auszutauschen, über Geräte wie Haussicherheitssysteme, Geräte, Spielsysteme, Computer und Telefone bis hin zu riesigen Datenzentren, die soziale Medien, Streaming-Inhalte, Spiele und Unternehmensanwendungen verarbeiten, explodiert. Laut einer Studie von Ericcson wird es bis 2026 mehr als 42 Milliarden vernetzte IoT-Geräte geben, die ~177 ZB an Daten erzeugen. 

Einem Bericht zufolge werden täglich 2,5 Quintillionen Bytes an Daten erzeugt, und 90 % der weltweiten Datenmenge wurde in den letzten zwei Jahren erzeugt. Ein Großteil dieser Daten ist auf die Zunahme von fast vier Milliarden Nutzern sozialer Medien weltweit zurückzuführen.

Es überrascht nicht, dass die anhaltende Pandemie angesichts von Fernunterricht und Arbeit von zu Hause aus den Hunger der Welt nach mehr Daten - und mehr Bandbreite zur gemeinsamen Nutzung der Daten - nur noch weiter gesteigert hat. Einem Branchenbericht zufolge stieg die Datennutzung zu Hause von März 2019 bis März 2020 um 38 Prozent. Derselbe Bericht stellte fest, dass die Heimarbeit während der Pandemie von durchschnittlich 17 Prozent der Arbeitnehmer auf 44 Prozent anstieg, was zu einer stärkeren Belastung der Netzwerke und einer höheren Datennutzung führte.  

Covid-19 also resulted in an increase of 138 percent in a group called power users consuming more than 1 terabyte of Internet data quarterly. Google alone counts more than 63,000 searches every second, or 5.6 billion daily searches.  
 

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Amir Faintuch, SVP & GM, Computing & Wired Infrastructure SBU bei GF, erklärt, warum Silizium-Photonik eine wichtige Technologieplattform für die Datenrevolution ist.

Diese Faktoren berücksichtigen nicht ansatzweise die potenziellen Auswirkungen des entstehenden Metaverse, das die Erstellung, Speicherung und Konnektivität von noch mehr Daten erfordern wird - Daten, die mit sehr geringer Latenz und hoher Geschwindigkeit übertragen werden müssen. Das Metaverse wird zusammen mit KI, maschinellem Lernen und virtueller Realität sowie der fortschreitenden Verbreitung von vernetzten Geräten die Datenerstellung und -übertragung vorantreiben. 

Im Rechenzentrum ist neben der Bandbreite auch der Stromverbrauch ein wichtiges Kriterium geworden.  

In der Vergangenheit hat sich die Chipindustrie für die Verbindungen zwischen Systemen auf elektrische Verbindungen über Metall (Kupfer) verlassen. Elektrische SerDes (serielle Deserialisierer), die gebräuchlichste Form der elektrischen E/A, stößt an ihre Grenzen, und es gibt keinen realisierbaren Fahrplan, der über 112 Gbit/s hinausgeht, da die großen Signalverluste in kupferbasierten Verbindungen auf Leiterplattenebene es schwierig machen, Daten mit einer so hohen Datenrate weiter als ein paar Zentimeter zu übertragen.  

Die nächste Welle von Hochleistungs-Computerarchitekturen erfordert eine neue Form von E/A, die die Engpässe vermeidet, die durch elektrische E/A entstehen. Bis 2028 werden die meisten physischen Kurzstrecken-Verbindungen in Rechenzentren optisch statt elektrisch sein.  

Das steckbare Modul ist das Schlüsselelement, das elektrische Signale in optische Signale umwandelt und umgekehrt, d.h. es ist die elektro-optische Schnittstelle. 

Die steckbaren Module haben zwei wesentliche Vorteile: 

  • Standardisierung und Interoperabilität - Betreiber von Rechenzentren können Module von mehreren Anbietern beziehen, wodurch die Kosten pro Gbit/s durch Innovation und Wettbewerb gesenkt werden konnten. 
  • Modularität - Betreiber von Rechenzentren können Optiken mit kurzer Reichweite verwenden, um bis zum Ende einer Reihe von Racks in einem Rechenzentrum zu gelangen, und Optiken mit langer Reichweite, um größere Entfernungen zu einem anderen Rechenzentrum zurückzulegen. 

Diese Modularität hat auch den Formfaktor und die Standardisierung der Switch-Boxen und der Box-Faceplates, in die diese steckbaren Module eingesteckt werden, vorangetrieben. In einem typischen Schaltkasten oben im Rack eines Rechenzentrums werden mehrere steckbare Module in die Frontplatte gesteckt. Die Umwandlung von optischen in elektrische Signale erfolgt an der Frontplatte, wobei die elektrischen Hochgeschwindigkeitssignale die Cu-Leiterbahnen auf der Platine bis zum Switch-ASIC durchlaufen müssen. 

Optische Kommunikationslösungen sind in der Lage, neue Leistungsniveaus in Hyperscale-Rechenzentren, Cloud Computing und 5G-getriebenen Netzumwandlungen zu ermöglichen.Die Silizium-Photonik-Technologie, die für die optische Kommunikation verwendet wird, wird auch die Grundlage für schnell aufkommende Datenverarbeitungs- und Sensoranwendungen sein. 

In der nächsten Folge dieser Serie werden wir uns mit der Rolle neuer Optionen befassen, die die bewährten Vorteile der CMOS-Technologie mit neuen Möglichkeiten für leistungsfähigere Chips auf der Basis von Silizium-Photonik kombinieren.