Von John Compani, leitender Mitarbeiter der technischen Abteilung von GlobalFoundries für Unternehmens-EHS und Nachhaltigkeit 

Jeden Tag betreiben die Teams von GF einige der komplexesten Produktionsanlagen der Welt. Diese Arbeit erfordert Energie, Wasser und Spezialmaterialien. Und sie erfordert ständige Aufmerksamkeit dafür, wie diese Ressourcen genutzt werden. 

Bei GF ist Nachhaltigkeit untrennbar mit der Fertigung verbunden. Sie ist Teil der Art und Weise, wie wir unsere Produktionsstätten betreiben, wie wir Entscheidungen treffen und wie wir zuverlässige, hochwertige Chips für Kunden liefern, die auf uns vertrauen. Die gleiche Disziplin, die für Ausbeute, Qualität und Betriebszeit sorgt, bestimmt auch, wie wir Emissionen reduzieren, Wasser sparen und Abfälle aus unseren Prozessen vermeiden. 

Die Earth Week ist eine Gelegenheit, inne zu halten und diese Fortschritte zu teilen. Im Jahr 2025 erzielten die GF-Teams messbare Ergebnisse in vier Schwerpunktbereichen: Reduzierung von Treibhausgasen, Energieeffizienz, verantwortungsvoller Umgang mit Wasser sowie Abfall- und Chemikalienreduzierung. Diese Ergebnisse spiegeln jahrelange kontinuierliche Verbesserungen in unserer weltweiten Produktionspräsenz wider, die von Ingenieuren, Bedienern und den Standortteams an jedem Standort gemeinsam vorangetrieben wurden. 

Die Messlatte für die Reduzierung von Treibhausgasen höher legen 

GF hat kürzlich sein Engagement im Rahmen der „Journey to Zero Carbon“-Initiative vorangetrieben und unser Ziel für eine absolute Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) der Scope-1- und Scope-2-Kategorien zwischen 2021 und 2030 von zuvor 25 % auf 42 % angehoben. Dieses ehrgeizigere kurzfristige Ziel untermauert unser Engagement für die Science Based Targets Initiative (SBTi) und spiegelt unsere Überzeugung wider, dass Klimaschutz und Unternehmenswachstum Hand in Hand gehen können. 

Zu den größten Emissionsquellen zählen der Stromverbrauch sowie fluorierte Treibhausgase, die beim Ätzen und bei der Abscheidung zum Einsatz kommen. GF geht diese Probleme durch eine Kombination aus fortschrittlichen Abgasreinigungssystemen, umweltfreundlicheren Kühlflüssigkeiten und der Nutzung kohlenstoffarmer Energiequellen an. 

Die Fortschritte sind messbar und halten an. Im Jahr 2025 trugen Projekte an unseren Standorten zu einer geschätzten jährlichen Reduzierung von rund 105.000 Tonnen CO₂-Äquivalent bei. Zum Vergleich: Das entspricht in etwa der Entfernung von 23.000 Personenkraftwagen aus dem Straßenverkehr für ein ganzes Jahr. Heute verursacht die Herstellung eines Halbleiters bei GF pro Produktionseinheit etwa 24 % weniger Treibhausgasemissionen als noch vor wenigen Jahren. 

Ein Beispiel stammt aus dem GF-Werk in Singapur, wo die Teams derzeit einen neuen, zentralisierten Ansatz zur Aufbereitung von Produktionsabgasen einführen. Anstatt die Emissionen von jeder Anlage einzeln zu behandeln, werden bei diesem System die Abgase mehrerer Anlagen gebündelt und in einem mehrstufigen Prozess aufbereitet. Das Ergebnis ist eine effektivere Zerstörung fluorierter Treibhausgase bei gleichzeitig geringerem Platz- und Stromverbrauch als bei herkömmlichen Anlagen. 

An unserem Standort auf Malta verfolgte ein funktionsübergreifendes Team einen ähnlichen langfristigen Ansatz, indem es die Kältemaschinensysteme auf umweltfreundlichere Wärmeträgerflüssigkeiten umstellte. Durch diese mehrjährige Maßnahme konnten die Treibhausgasemissionen um rund 11.000 Tonnen CO₂-Äquivalent gesenkt werden, ohne dass die für die moderne Fertigung erforderliche Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigt wurde. 

Energieeinsparungen in großem Maßstab 

Im Jahr 2025 sparte GF durch Nachhaltigkeits- und Effizienzmaßnahmen jährlich rund 76 Millionen kWh Strom ein. Das reicht aus, um etwa 7.000 durchschnittliche US-Haushalte ein ganzes Jahr lang mit Strom zu versorgen, und entspricht einer Einsparung von rund 25.000 Tonnen_CO2e. Der Stromverbrauch pro Produktionseinheit liegt nun 24 % unter unserem Referenzwert von 2020. 

Strom ist einer der größten Betriebskostenfaktoren in der Halbleiterindustrie. Reinräume, Prozessanlagen, Kältemaschinen, Vakuumsysteme und die Infrastruktur für Reinstwasser sorgen rund um die Uhr für einen konstanten Energiebedarf. Jede Kilowattstunde, die durch intelligentere Konzeption und optimierte Steuerungen eingespart wird, senkt direkt sowohl die Kosten als auch die mit der Stromerzeugung verbundenen Emissionen. 

Wenn GF-Teams Verbesserungen vornehmen, können selbst kleine Änderungen eine bedeutende Wirkung haben. An unserem Standort in Malta, New York, haben die Teams die Betriebsabläufe der Großanlagen so optimiert, dass diese Strom effizienter nutzen, wodurch der Stromverbrauch um etwa 18 Millionen kWh pro Jahr gesenkt wurde. An unserem Standort in Dresden erzeugen die auf mehreren Gebäuden installierten Solarmodule nun jährlich 6–7 GWh sauberen Strom, wodurch jährlich rund 2.000 Tonnen CO₂e eingespart werden. 

Jeden Tropfen schützen 

Wasser spielt bei der Herstellung von Halbleitern eine wichtige Rolle. Es wird verwendet, um die Wafer während des gesamten Herstellungsprozesses sauber zu halten, die Anlagen zu kühlen und den rund um die Uhr laufenden Betrieb aufrechtzuerhalten. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Halbleitern wird ein verantwortungsvoller Umgang mit Wasser immer wichtiger. 

Bei GF konzentrieren wir uns darauf, den Wasserverbrauch wo immer möglich zu senken. Dazu gehören die Wiederverwendung von Wasser innerhalb unserer Anlagen, die Rückgewinnung von Wasser aus Produktionsschritten sowie die Optimierung von Prozessen, damit nur das Wasser verbraucht wird, das wirklich benötigt wird. Heute stammen mehr als 40 % des von GF verbrauchten Wassers aus recycelten oder wiederverwendeten Quellen, und der Gesamtwasserverbrauch pro Produktionseinheit liegt um 22 % unter unserem Referenzwert von 2020. 

Abfälle bereits bei der Konzeption vermeiden 

Die Halbleiterfertigung ist auf Spezialchemikalien angewiesen, um präzise und saubere Prozesse zu gewährleisten. Da diese Materialien häufig und in großen Mengen zum Einsatz kommen, ist die Reduzierung von Abfall ein wichtiger Bestandteil einer verantwortungsvollen Fertigung. Bei GF beginnt diese Arbeit bereits auf Prozessebene, indem die Konzeption und der Ablauf von Werkzeugen und Rezepturen optimiert werden. 

Im Jahr 2025 führten diese Bemühungen zu einer Verringerung des gesamten Abfallaufkommens pro Produktionseinheit um 27 % und des Aufkommens an gefährlichen Abfällen pro Produktionseinheit um 33 % im Vergleich zu 2020. Die Teams erzielten diese Ergebnisse, indem sie Reinigungsschritte optimierten, die Nutzungsdauer von Chemikalien sicher und effektiv verlängerten und unnötigen Verbrauch vermieden – und das alles unter Beibehaltung der für die fortschrittliche Fertigung erforderlichen Qualität und Zuverlässigkeit. Zusammen ermöglichten diese Verbesserungen die Einsparung von Hunderttausenden Litern an Chemikalien pro Jahr und zeigten, wie eine durchdachte Prozessgestaltung den Materialverbrauch und das Abfallaufkommen erheblich reduzieren kann, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen. 

Fortschritt durch Teamarbeit 

Solche Fortschritte entstehen im Laufe der Zeit, durch viele praktische Entscheidungen und stetige Verbesserungen in komplexen Fertigungsprozessen. Sie spiegeln wider, wie GF seine Arbeit Tag für Tag angeht. 

Ein detaillierterer Einblick in die Nachhaltigkeitsprioritäten und -leistungen von GF wird in unserem kommenden Nachhaltigkeitsbericht 2026 gegeben. 

John Compani ist leitender technischer Mitarbeiter im EHS- und Nachhaltigkeitsteam von GF. Er ist in Malta, New York, tätig und konzentriert sich auf die Umweltleistung, den Ressourcenschutz und die Nachhaltigkeitsbemühungen von GF.  

Die Siliziumphotonik wurde nicht über Nacht zur industriellen Realität, und nur wenige Menschen haben diesen Weg so unmittelbar geprägt wie Dr. Yusheng Bian. Bian, der kürzlich für seine bahnbrechenden Beiträge zur Siliziumphotonik zumOptica Fellowernannt wurde, hat fast ein Jahrzehnt bei GF damit verbracht, die Innovationen voranzutreiben, die skalierbaren CMOS-Plattformen für die Massenproduktion zugrunde liegen. Nach seiner Auszeichnung als Optica Fellow auf der OFC haben wir uns mit Bian zusammengesetzt und ihn gebeten, über den langen Weg von der frühen Forschung bis zum Einsatz in der Praxis sowie über die Dynamik nachzudenken, die diese Technologie derzeit vorantreibt.

F: Was hat Sie ursprünglich in den Bereich der Siliziumphotonik gezogen, lange bevor dieser so sichtbar wurde, wie er es heute ist? 

Die CMOS-Technologie wird seit Jahrzehnten weiterentwickelt und bildet die Grundlage für einen Großteil der modernen Datenverarbeitung, was enorme Auswirkungen auf unseren Alltag hat. Was mich ursprünglich an der Siliziumphotonik faszinierte, war die Erkenntnis, dass dasselbe Siliziumsubstrat, das in der Elektronik verwendet wird, auch zur Lichtleitung genutzt werden kann. 

Dieses Licht ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Es liegt in Wellenlängenbereichen wie dem nahen Infrarot, doch die Vorstellung, dass Silizium Licht leiten könnte, war äußerst spannend. Noch überzeugender war die Tatsache, dass dieselbe Plattform sowohl elektronische als auch photonische Signale unterstützen konnte. Das bedeutete, dass man beide integrieren konnte, was nicht nur die Lichtleitung, sondern auch die elektrische Steuerung von Licht und die Umwandlung zwischen optischen und elektrischen Signalen ermöglichte. Hier besteht eine starke Verbindung, die auf der Gemeinsamkeit einer einzigen, gut etablierten Technologieplattform beruht. 

Da Silizium bereits über ein ausgereiftes Ökosystem verfügt, schafft diese Konvergenz Vertrauen in die Skalierbarkeit der Technologie. Grundsätzlich bietet die Photonik gegenüber der Elektronik klare Vorteile für den Datentransport, darunter geringere Verluste, höhere Bandbreite und verbesserte Signalintegrität. All dies ließ es wie eine Richtung erscheinen, die echten Mehrwert schaffen und die Funktionsweise von Systemen nachhaltig verändern könnte. 

Zu Beginn meiner Karriere war noch nicht sicher, ob sich die Siliziumphotonik zu einer massenproduzierbaren oder wirtschaftlich tragfähigen Lösung entwickeln würde. Es herrschte echte Unsicherheit. Doch das Potenzial dieser Technologie und die Begeisterung, die sie weckte, haben mich immer weiter vorangetrieben. Heute ist es für mich unglaublich befriedigend zu sehen, wie sich dieser Wandel vollzieht und die Technologie in praktischen Anwendungen zum Einsatz kommt. 

F: WAuf welche Aspekte haben Sie sich im Bereich der Siliziumphotonik besonders konzentriert? 

Ich glaube, dass sowohl GF als Unternehmen als auch ich persönlich in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht haben. Wir beobachten derzeit, wie sich KI-Rechenzentren so weit entwickeln, dass herkömmliche elektronische Lösungen auf Kupferbasis mit den steigenden Datenanforderungen nicht mehr Schritt halten können, insbesondere was den Datentransfer zwischen Chips und über Rechenzentren hinweg betrifft. 

Aus diesem Grund gilt die Photonik heute weithin als integraler Bestandteil der Datenübertragung der nächsten Generation und ersetzt Kupfer dort, wo elektronische Verbindungen nicht mehr skalierbar sind. Sie ermöglicht einen geringeren Stromverbrauch, größere Übertragungsentfernungen und eine deutlich bessere Signalintegrität. 

Dies stellt einen echten Paradigmenwechsel dar: weg von der herkömmlichen Kupferverkabelung hin zu Glasfaser und nun hin zur direkten Integration optischer Funktionen in die Siliziumphotonik – sogenannte photonische Bausteine –, die sehr nah an elektronischen Systemen platziert werden können. 

F: Haben Sie diesen durch KI ausgelösten Nachfrageboom bei der Siliziumphotonik vorausgesehen?  

Noch vor einem Jahrzehnt, als wir unsere Siliziumphotonik-Technologie um 2016 bis 2017 auf den Markt brachten, war dies nicht selbstverständlich. Damals trat ich bei GF als erster Forschungs- und Entwicklungsingenieur mit Schwerpunkt Siliziumphotonik ein. Wir wussten damals zwar, dass die Siliziumphotonik auf dem Vormarsch war, doch in der Branche herrschte kein klarer Konsens darüber, dass sie Kupfer oder herkömmliche elektronische Lösungen definitiv ablösen würde. 

In den letzten Jahren haben uns der KI-Boom, die steigende Nachfrage nach Rechenzentren und die starke Dynamik des Ökosystems deutlich mehr Zuversicht gegeben. Die Photonik ist mittlerweile eindeutig eine der unverzichtbaren Lösungen, die in Rechenzentren benötigt werden, um die derzeitigen Engpässe bei Bandbreite, Stromversorgung und Signalintegrität zu beheben. 

Ich würde nicht sagen, dass dies eine große Überraschung oder völlig unerwartet war, aber wir beobachten durchweg ein starkes Vertrauen und eine echte Dynamik in Richtung photonischer Lösungen. Und das geht über Rechenzentren hinaus. Wir beobachten auch eine zunehmende Verbreitung in Bereichen wie Photonik-Computing, Quantencomputing, Sensorik und anderen aufstrebenden Anwendungsbereichen. 

Ich würde die Photonik noch nicht als allgegenwärtige Lösung bezeichnen, aber sie findet als Ersatz – oder Ergänzung – zu modernsten elektronischen Technologien zunehmend Verbreitung. In den nächsten zehn Jahren erwarten wir bedeutende Fortschritte und einen umfassenden Einsatz in diesen Bereichen. 

F: Die Siliziumphotonik scheint heute sowohl etabliert zu sein als auch sich weiterzuentwickeln. Wie sehen Sie dieses Gleichgewicht?  

Wenn man sich ansieht, was heute bereits in Produktion ist und von großen Rechenzentrumsbetreibern – Unternehmen wie Google, NVIDIA und Meta – weitläufig eingesetzt wird, dann sind das vor allem steckbare optische Module. Dabei handelt es sich um optische Module, die in sehr großen Stückzahlen ausgeliefert werden und weltweit, in den USA, in China und auf anderen wichtigen Märkten, Umsätze in Milliardenhöhe generieren. Diese Technologie ist bereits etabliert und weit verbreitet. 

Neben der steckbaren Optik zeichnen sich zwei weitere Paradigmen ab. Das erste ist der Übergang von traditionellen steckbaren optischen Modulen zu sogenannten Co-Packaged Optics. Dabei handelt es sich um eine kompaktere Lösung, die das optische Modul viel näher an die Recheneinheit, wie beispielsweise den Switch-ASIC, bringt. NVIDIA treibt beispielsweise Innovationen in diesem Bereich aktiv voran. Dies ist nur der erste Schritt in Richtung zukünftiger Datenübertragungsarchitekturen. 

Darüber hinaus wird erwartet, dass die Photonik auch im Bereich des Quantencomputings eine entscheidende Rolle spielen wird. GF verfügt über umfassende Kompetenzen bei integrierten 300-mm-CMOS-Plattformen, die zahlreiche Quantenanwendungen unterstützen. Wir sind vor einigen Jahren eine Partnerschaft mit PsiQuantum eingegangen, um branchenführende Quantencomputing-Plattformen zu entwickeln, die den Anforderungen der Zukunft gerecht werden. 

Ein weiterer wichtiger Bereich ist LiDAR. Im Zuge der Entwicklung hin zu autonomen Fahrzeugen gibt es Bestrebungen, herkömmliche, sperrige LiDAR-Systeme – wie die rotierenden Einheiten, die man heute an Fahrzeugen sieht – durch wesentlich kleinere, chipbasierte photonische Lösungen zu ersetzen. Die Siliziumphotonik hat das Potenzial, diesen Übergang zu ermöglichen. Auch im Bereich der Sensorik, einschließlich der biomedizinischen Sensorik, bieten sich erhebliche Chancen. Dies sind alles Bereiche, in denen wir davon ausgehen, dass die Photonik und insbesondere die Siliziumphotonik im nächsten Jahrzehnt weiter Fuß fassen werden. 

F: Was macht GF im Bereich der Siliziumphotonik besonders wettbewerbsfähig? 

GlobalFoundries ist als führende foundry bekannt. Einer der entscheidenden Vorteile der Kombination einer foundry Siliziumphotonik besteht darin, dass dieselbe Halbleitertechnologieplattform – dasselbe „Silicon-on-Insulator“-Substrat – zur Führung und Ausbreitung von Licht genutzt werden kann. Diese Konvergenz ist unglaublich leistungsstark. 

Eine der größten Stärken von GF ist das umfassende Fertigungs-Know-how und das gut ausgebaute Ökosystem, das die Bereiche Geräte, Physik, Fertigung und Integration auf Systemebene umfasst. Dies macht GF zu einer führenden foundry , Innovationen in der Siliziumphotonik voranzutreiben – nicht nur auf Forschungsebene, sondern auch durch Technologieentwicklung bis hin zur Serienfertigung. 

Dieser Übergang – von der Forschung hin zu serienreifen Anwendungen in der Praxis – ist in akademischen Labors oder kleinen Forschungsumgebungen nur schwer zu bewältigen. Bei GF konzentrieren wir uns auf die Großserienfertigung, um praxisnahe, serienreife Produkte zu unterstützen. 

Über die eigenen Kompetenzen hinaus arbeitet GF eng mit Partnern aus dem Ökosystem zusammen – OSATs, Zulieferern, Anbietern und anderen Kooperationspartnern –, um die Grenzen der Siliziumphotonik-Technologie weiter zu verschieben. Jede Anerkennung, die mir zuteilwird, sollte nicht als persönliche Leistung betrachtet werden, sondern als Ausdruck der Leistung des gesamten Siliziumphotonik-Teams und des gesamten Ökosystems, mit dem wir zusammenarbeiten. 

Wir haben unsere Position zudem durch jüngste Akquisitionen gestärkt, darunter die Siliziumphotonik-Sparten von AMF und Infinilink. AMF sorgt für eine wichtige geografische Diversifizierung, insbesondere in Asien, und verschafft uns eine größere Produktionskapazität. Infolgedessen wird GlobalFoundries von Branchenquellen foundry des Umsatzes weithin als die weltweit größte reine foundry bezeichnet. AMF erweitert zudem unsere Kundenbasis in verschiedenen Anwendungsbereichen. Im Bereich der Datenkommunikation gibt es beispielsweise verschiedene optische Bänder – O-Band, C-Band –, die man sich einfach als unterschiedliche „Farben“ des Lichts vorstellen kann. AMF ermöglicht es uns, Kunden und Anwendungen zu bedienen, die von unseren bestehenden US-Fabriken nicht vollständig abgedeckt werden. 

Darüber hinaus stärkt die Technologie von Infinilink unsere Fähigkeiten im Bereich der IP-Entwicklung, sodass wir unseren Kunden nicht nur PDKs, sondern auch Dienstleistungen rund um Siliziumphotonik-IP anbieten und ihnen damit umfassendere Lösungen auf Systemebene bereitstellen können. 

F: Welche technischen Herausforderungen müssen noch bewältigt werden, damit sich die Siliziumphotonik noch schneller weiterentwickeln kann? 

Die Siliziumphotonik befindet sich nach wie vor in der Entwicklung, insbesondere da KI-Rechenzentren diese enorme Nachfrage weiter ankurbeln und der Bedarf an höheren Bandbreiten und geringerem Stromverbrauch ungebrochen ist. Aus praktischer Sicht steigert das Photonik-Team die Datenraten von 100 Gigabit pro Sekunde auf 200 und strebt nun die 400-Gigabit-pro-Lane-Klasse an. Dies stellt einen bedeutenden Sprung dar, der mehr Daten pro Kanal bei höheren Geschwindigkeiten und geringerem Stromverbrauch ermöglicht. Wir glauben, dass wir bei diesen Bemühungen an vorderster Front stehen und die Grenzen weiter verschieben werden. 

F: Was begeistert Sie persönlich an Ihrer Arbeit? 

Ich bin zutiefst dankbar, Teil dieses multidisziplinären Teams zu sein. Jeden Tag arbeite ich mit talentierten Kollegen aus unterschiedlichen Bereichen zusammen, gewinne neue Perspektiven und lerne ständig dazu. Es handelt sich um eine neuartige Technologie voller Möglichkeiten, und Zusammenarbeit ist unerlässlich, um sie voranzubringen. Auch Beharrlichkeit war entscheidend. Neugierig zu bleiben und angesichts von Rückschlägen widerstandsfähig zu bleiben, macht den Unterschied. Tatsächlich werden viele der Herausforderungen, denen wir begegnen, letztendlich zu Katalysatoren für Innovation. Habt keine Angst vor Fehlern, denn Fortschritt entsteht durch interdisziplinäre Zusammenarbeit. 

F: Was bedeutet es für Sie, zum Optica Fellow ernannt zu werden? 

Ich war sowohl begeistert als auch demütig, diese Auszeichnung zu erhalten, denn es war das erste Mal bei GF, dass wir einen „Optical Fellow“ hatten. Optica ist die größte Fachgesellschaft im Bereich Optik und Photonik – nicht nur im Bereich der Siliziumphotonik –, daher fühlte ich mich sehr geehrt. Diese Auszeichnung ist jedoch nicht nur eine persönliche Leistung. Sie spiegelt die gemeinsamen Beiträge, die Innovationskraft und die Zusammenarbeit des gesamten GF-Siliziumphotonik-Teams in den letzten zehn Jahren wider. Ich freue mich also sehr über diesen aktuellen Moment und bin noch motivierter für das, was vor uns liegt – das Team zu vergrößern, das Ökosystem zu erweitern und Lösungen zu liefern, die unsere Kunden schätzen, während wir die Technologie weiter vorantreiben. 

F: Was machst du gerne in deiner Freizeit?  

Ich wandere gerne und nutze KI auch für kreative Arbeiten, wie zum Beispiel das Komponieren von Musik und das Singen. Musik ist etwas, dem ich mich in den letzten Jahren gewidmet habe, weil ich glaube, dass diese Beschäftigung neue Perspektiven eröffnet und dabei hilft, ein gutes Gleichgewicht zu finden. Manchmal kann man durch solche Aktivitäten tatsächlich etwas Neues lernen. Die Arbeit in einem Bereich, der sich drastisch von deinem Hauptgebiet unterscheidet, kann dir helfen, Zusammenhänge zu erkennen und neue Ideen in deine Arbeit einzubringen. Aus dieser Art des interdisziplinären Denkens entsteht manchmal echte Innovation. 

Quantencomputing ist längst keine auf das Labor beschränkte Science-Fiction mehr. Es handelt sich um ein neues Rechenparadigma, das das Potenzial besitzt, Probleme zu lösen, die für klassische Systeme unlösbar sind. Von der Simulation komplexer Moleküle für neue Medikamente bis hin zur Entdeckung neuer Materialien – Quantencomputer werden ganze Branchen revolutionieren. Doch der Bau von Quantencomputern in großem Maßstab erfordert mehr als nur brillante Ideen. Es erfordert erstklassiges Know-how in der Halbleiterfertigung. Hier spielt GlobalFoundries (GF) eine entscheidende Rolle. Als führende foundry ist GF einzigartig positioniert, um die Quantenrevolution voranzutreiben, ganz gleich, welcher Hardware-Ansatz sich letztendlich durchsetzen wird. 

Was ist Quantencomputing?
Quantencomputing nutzt die drei Grundprinzipien der Quantenmechanik: Superposition (ein Qubit kann sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden), Verschränkung (Qubits können miteinander verbunden sein, sodass der Zustand des einen das andere sofort beeinflusst) und Interferenz (die die Wahrscheinlichkeit richtiger Antworten erhöht und gleichzeitig falsche Antworten ausschließt). 

Während ein klassisches Bit nur als 0 oder 1 existieren kann, kann ein Qubit in einer Überlagerung beider Zustände gleichzeitig existieren, bis es gemessen wird. Werden viele Qubits kombiniert, wird das System durch eine exponentiell große Menge möglicher Zustände beschrieben, die mathematisch als Amplituden dargestellt werden – eine Eigenschaft, die oft als Quantenparallelität bezeichnet wird. Eine Folge von Quantengattern transformiert diese Amplituden, doch wenn das Ergebnis der Berechnung gemessen wird, liefert es immer noch nur ein einziges Ergebnis. Der praktische Vorteil des Quantencomputings ergibt sich aus Algorithmen, die Quanteninterferenz nutzen, um die Wahrscheinlichkeit korrekter Antworten zu erhöhen und gleichzeitig falsche zu unterdrücken, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, ein brauchbares Ergebnis zu erhalten, beispielsweise durch Amplitudenverstärkungstechniken, die Beschleunigungen nach Grover verallgemeinern. 

Quantencomputer lassen sich daher am besten als Spezialbeschleuniger betrachten. Bei bestimmten Aufgaben wie der Simulation von Quantensystemen, der strukturierten Suche, der Stichprobenentnahme oder der Ermittlung globaler Eigenschaften übertreffen sie klassische Systeme, ergänzen klassische Computer jedoch bei alltäglichen Rechenaufgaben. 

Ein Meilenstein für die Industrie
Die Auswirkungen von Quantencomputern mit ausreichend leistungsfähigen Qubits werden tiefgreifend sein: 

• Pharmazeutika und Biowissenschaften: Präzise Molekularsimulationen könnten die Entwicklungszeiten für neue Medikamente von Jahren auf Monate verkürzen. 

• Finanzen: Quantenalgorithmen werden die Portfoliooptimierung, die Risikomodellierung, die Betrugsaufdeckung und die Preisberechnung von Derivaten revolutionieren und so schnellere und genauere Einblicke in volatilen Märkten ermöglichen. 

• Logistik und Lieferkette: Eine Echtzeitoptimierung von Routen, Lagerbeständen und Produktionsplänen könnte die Kosten drastisch senken und die Widerstandsfähigkeit verbessern. 

• Materialwissenschaften und Energie: Die direkte Modellierung komplexer Quantenwechselwirkungen zwischen Elektronen könnte die Entwicklung bahnbrechender Materialien wie Supraleiter, fortschrittlicher Batterien, Photovoltaik und Festkörperelektrolyten beschleunigen. 

• KI und maschinelles Lernen: Quantenunterstützte Modelle versprechen Durchbrüche bei der Mustererkennung und der generativen KI. 

• Cybersicherheit: Während Quantencomputer die derzeitige Verschlüsselung gefährden (was den Übergang zur postquantenkryptografischen Verschlüsselung erforderlich macht), ermöglichen sie gleichzeitig eine extrem sichere Quantenschlüsselverteilung. 

McKinseyundandereschätzen den Wert des Quantencomputings auf mehrere zehn bis mehrere hundert Milliarden Dollar jährlich, sobald Systeme mit einigen hundert bis tausend logischen Qubits (den für zuverlässige Berechnungen erforderlichen, fehlerkorrigierten Einheiten) verfügbar sind. 

Die Frage ist nicht, ob es dazu kommt, sondern wann und wie schnell wir dort ankommen. 

Der Weg zur Skalierung: Fertigung und die Herausforderung der Modalität
Die Quantencomputertechnik tritt in eine neue Phase ein. Die Frage ist nicht mehr, ob Qubits im Labor funktionieren, sondern wie komplette Quantensysteme zuverlässig hergestellt und skaliert werden können, um sie in der Praxis einzusetzen.  

Derzeit gibt es in der Branche keinen Konsens über eine einzige Qubit-Technologie. Zu den führenden Ansätzen zählen supraleitende Schaltungen, gefangene Ionen, photonische Qubits, Silizium-Spin-Qubits, neutrale Atome, topologische Qubits und andere. Jede davon weist unterschiedliche Stärken und Kompromisse hinsichtlich der Fidelity (Genauigkeit der Quantenoperationen), der Kohärenz (wie lange die Qubits ihre „Quantenheit“ beibehalten), der Skalierbarkeit (wie viele Qubits lassen sich in ein System packen) und der Betriebstemperatur auf. Diese Vielfalt ist gesund und treibt Innovationen voran, bedeutet aber auch, dass die endgültigen Gewinner diejenigen sein werden, die in der Lage sind, in großen Stückzahlen zu produzieren – zuverlässig und zu angemessenen Kosten –, unabhängig davon, welche Architektur sich durchsetzen wird. 

Genau hier bildet das Halbleiter-Know-how von GF das stärkste Fundament für das Quanten-Ökosystem 

Warum GF der beste Partner ist – unabhängig von der Quantenbit-Technologie
Angesichts der Ungewissheit darüber, welche Quantenbit-Technologien sich letztendlich durchsetzen werden, besteht die entscheidende Herausforderung für die Branche nicht darin, einzelne Bauelemente im Labor zu testen, sondern eine wiederholbare Fertigung mit hoher Ausbeute zu ermöglichen, die einen klaren Weg zur Serienproduktion aufzeigt. Anstatt auf eine einzige Qubit-Technologie zu setzen, verfolgt GF bei der Quanteninformatik einen „Manufacturing-First“-Ansatz – den Aufbau skalierbarer, konfigurierbarer Halbleiterplattformen, die eine breite Palette von Quantenarchitekturen unterstützen können, sobald diese ausgereift sind. 

Genau darin unterscheidet sich die Rolle von GF im Quanten-Ökosystem grundlegend. 

Die Strategie von GF basiert darauf, bestehende, bewährte Halbleiterplattformen zu nutzen und diese bei Bedarf zu erweitern, um den neuen Anforderungen der Quantenphysik gerecht zu werden. Dieser Ansatz reduziert Entwicklungsrisiken, Kosten und Zeitaufwand erheblich im Vergleich zur Entwicklung maßgeschneiderter, einmaliger Prozesse für jede einzelne Anwendungsdomäne. Außerdem ermöglicht er es den Quantenteams, ihre Roadmaps auf Technologien abzustützen, die sich bereits in der Massenfertigung bewährt haben. 

Unabhängig von der jeweiligen Fertigungstechnik konvergieren Quantensysteme zunehmend auf gemeinsame Fertigungsanforderungen: strenge Prozesskontrolle, Materialhomogenität, Integration von Elektronik und Photonik, extrem rauscharme Schnittstellen sowie fortschrittliche Verpackungstechniken zur Kombination heterogener Komponenten. Diese Anforderungen decken sich direkt mit den Kernkompetenzen von GF als foundry. 

GF vereint: 

• FD-SOI-Technologien wie 22FDX®, die von der Quantenforschungsgemeinschaft aktiv für hochintegrierte klassische Steuerungs-, Auslese- und System-on-Chip-Architekturen untersucht werden 

• Hochspannungs- und HF-fähige Plattformen, die Funktionen zur Stromversorgung, Signalerzeugung und -verstärkung ermöglichen, die mit zunehmender Skalierung von Quantensystemen immer wichtiger werden 

• Fortschrittliche heterogene Integration und Verpackung, die es ermöglicht, Quantenprozessoren, Steuerelektronik, Photonik und Verbindungsstrukturen zu serienreifen Lösungen auf Systemebene zu kombinieren 

• Silizium-Photonik-Plattformen auf 300-mm-Wafern, die eine skalierbare Grundlage für photonische Quantensysteme sowie optische Schnittstellen bilden 

• Entscheidend ist, dass GF Forschung und Entwicklung, Prototypenbau sowie die frühe Phase der Quantenentwicklung auf derselben industriellen Fertigungsinfrastruktur ermöglicht, die auch für die Serienproduktion genutzt wird. Diese Kontinuität hilft Entwicklern von Quantensystemen, kostspielige Übergänge zwischen Forschungs- und Produktionsanlagen zu vermeiden – eine Herausforderung, die in der Vergangenheit die Skalierbarkeit bei neuen Technologien eingeschränkt hat. 

In dem Maße, wie sich die Quantencomputertechnik von der Experimentierphase hin zu einsatzfähigen Systemen entwickelt, wird die Herstellbarkeit zunehmend darüber entscheiden, welche Architekturen skalierbar sind und welche nicht. Durch seine Technologieunabhängigkeit und die Konzentration auf erweiterbare, reproduzierbare Fertigungsplattformen bietet GF eine stabile Grundlage für Innovationen in den Bereichen supraleitende, photonische, spinbasierte, atomare und hybride Quantenansätze. 

In einem Umfeld, das von architektonischer Ungewissheit geprägt ist, aber durch die Notwendigkeit der Skalierung vereint wird, besteht die Rolle von GF nicht darin, Gewinner auszuwählen – sondern sie zu fördern.

Von Tim Nutt

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf EDN veröffentlicht undwird hier mit Genehmigung erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel aufEDN.

Die rasante Verbreitung künstlicher Intelligenz (KI) in Verbraucher- und Unternehmensmärkten führt zu beispiellosen Investitionen in Hochleistungsrechner und Netzwerke. Da KI-Modelle immer größer werden und in vielfältigen Anwendungen Einzug halten, steigt der Bedarf an Rechenleistung stetig an. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wird der Stromverbrauch heterogener Recheneinheiten (XPUs) voraussichtlich von heute 1–1,5 kW auf über 5 kW bis 2030 steigen [1]. Dieser Anstieg des Strombedarfs treibt die Nachfrage nach dichteren, effizienteren Stromversorgungslösungen vom Netz bis zum Kern an.  

Die sich entwickelnde Stromverteilungsarchitektur, die die Skalierung von KI ermöglicht
Die Verteilung von 415–480 VAC innerhalb von Rechenzentren führt zu einem Flickenteppich elektrischer Umwandlungen. Wechselstrom muss in Gleichstrom umgewandelt werden, um die Batterie-Notstromversorgung zu unterstützen, und anschließend wieder in Wechselstrom für die weitere Verteilung.  Doch mit der zunehmenden Skalierung von KI-Systemen ist dieser Energieverlust zu kostspielig, um ihn zu verkraften. Ein Schwerpunkt der Branche liegt auf der Hochspannungs-Gleichstromverteilung (HVDC), die Leitungsverluste sowie die Anzahl der Umwandlungsstufen in großen Clustern reduziert. 

Die wichtigsten vorgeschlagenen Lösungen sind entweder eine Gleichstromversorgung mit ±400 V (Mt. Diablo) oder 800 V (Kyber). Die erste Phase der HVDC-Lösungen wird weiterhin auf einer 415–480-V-Wechselstromverteilung mit einem Sidecar-Stromrack basieren, wodurch einige Stromumwandlungsverluste reduziert werden.  Dieser Schritt erfordert weniger Stromumwandlungsstufen als bestehende Systeme und reduziert Leitungsverluste durch die Lieferung von HVDC an das benachbarte Rechenrack. Um jedoch weitere Stromumwandlungsstufen zu eliminieren, werden Rechenzentren HVDC im gesamten Cluster verteilen. Zusätzliche Energieeinsparungen werden durch die Implementierung der 800-V-DC-DC-Umwandlung innerhalb der Systemtrays in den Rechenracks erzielt, wodurch Leitungsverluste in den Sammelschienen reduziert werden. 

Diese Umsetzung erfordert eine deutliche Steigerung der Dichte und Effizienz. In den letzten Monaten haben Hyperscaler ihre allgemeinen Anforderungen [2] an höhere Rack-Leistungskapazität, Energieeffizienz, Dichte und Skalierbarkeit spezifiziert, und Anbieter haben darauf mit vorgeschlagenen Wandlertopologien und Überlegungen reagiert, um diese Anforderungen zu erfüllen [3].   

Dies stellt einen echten Fortschritt dar, und es ist bereits klar, dass die wichtigsten Leistungsziele der Lösungen in greifbarer Nähe liegen. Zu den Vorteilen dieser Stromversorgungsarchitekturen der nächsten Generation gehören: 

1. Hohe Übersetzungsverhältnis– Die Umwandlung von HVDC-Verteilungsspannung in eine sehr niedrige XPU-Kernspannung mit möglichst wenigen Stufen erfordert ein großes Übersetzungsverhältnis (>1000:1).  Lösungen auf Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) erzielen aufgrund höherer Durchbruchspannungen und geringerer Leitungs- und Schaltverluste im Vergleich zu siliziumbasierten Lösungen höhere Umwandlungsverhältnisse. 

2. Deutliche Steigerung der Packungsdichte im Vergleich zu aktuellen Netzteilkonstruktionen– Der Anstieg des Stromverbrauchs der XPU geht nicht mit einer entsprechenden Vergrößerung des verfügbaren Volumens für die Leistungselektronik einher. Computer- und Netzwerkarchitekturen schränken den physischen Platzbedarf ein, was den Bedarf an kompakteren Leistungskomponenten mit sich bringt. Dank ihrer hervorragenden Schalteigenschaften ermöglichen GaN-Leistungshalbleiter einen Betrieb mit höheren Frequenzen, wodurch kleinere Energiespeicherkomponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten oder Transformatoren eingesetzt werden können. 

3. Extrem hoher Wirkungsgrad bei großem Maßstab– Das außerordentliche Wachstum des Stromverbrauchs in Rechenzentren bedeutet, dass sich Leistungsverluste in jeder Stufe direkt auf die Energiekosten auswirken.  Daher müssen der Umwandlungsgrad und eine hohe Dichte erreicht werden, ohne dabei Effizienz einzubüßen. GaN-Bauelemente bieten die besten Leistungsmerkmale – darunter einen niedrigeren spezifischen Durchlasswiderstand, minimale Schaltladungen und einen besseren Hochfrequenz-FOM –, was bei einem gegebenen Verhältnis und einer gegebenen Dichte zu höchster Effizienz führt. 

Wie GaN Innovationen in Rechenzentren vorantreibt
Der Markt für Rechenzentren verlangt nicht nur höchste Leistung, sondern auch außergewöhnliche Qualität und Zuverlässigkeit. In der Branche herrscht zunehmend Einigkeit darüber, dass Power-GaN die Schlüsseltechnologie für HVDC-Lösungen in Rechenzentren ist.  

GlobalFoundries entwickelt GaN-Plattformen, um diesen Wandel zu unterstützen, darunter HV- (650 V) und MV- (200 V und darunter) Bauelemente. Diese Plattformen werden branchenführende Leistungsmerkmale bieten, gepaart mit der Zuverlässigkeit und Robustheit, die Hyperscaler für den großflächigen Einsatz von KI benötigen. 

Chancen für die Skalierung von HGÜ-Architekturen
Mit Blick auf den breiten Einsatz dieser Lösungen bieten sich weiterhin mehrere bedeutende Chancen, die jeweils Spielraum für die nächste Innovationswelle bei der Topologiewahl und der Geräteoptimierung bieten: 

• Festlegung klarer Sicherheits- und Isolationsanforderungen:Bislang wurden Sicherheit und Isolation nur allgemein diskutiert, doch HVDC-Architekturen erfordern eine Isolation. Die Einhaltung von Sicherheits- und Isolationsvorschriften durch Abstände (Kriech- und Luftstrecken) kann erhebliche Einbußen bei der Packungsdichte mit sich bringen, während die mechanische Einhaltung durch konforme Beschichtung oder Verguss die thermische Leistung beeinträchtigen kann – beides erschwert die Wartungsfreundlichkeit der Systeme im Feld. Die Definition des richtigen Gleichgewichts stellt eine große Chance für Innovationen bei Materialien, mechanischen Strukturen und der Systemarchitektur dar. 
• Festlegung von EMI/EMC-Anforderungen für die Skalierung von Rechenzentren der nächsten Generation:Da Rechenzentren strenge Normen hinsichtlich elektromagnetischer Störungen (EMI) und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMC) erfüllen müssen, muss die Branche ermitteln, wie Topologien diese Anforderungen erfüllen können. Wenn für die Skalierung von HVDC-Lösungen sperrige Filterkomponenten erforderlich sind, kann dies die Erreichung der Dichteziele verhindern und möglicherweise die Wahl einer alternativen Topologie erzwingen. Es ist entscheidend, dass diese Anforderungen auf Rechenzentren im Multi-GW-Bereich skalierbar sind, damit Cluster zusammenarbeiten können; andernfalls sind Kompatibilität und Leistung gefährdet. 
• Konvergenz hin zu optimalen Abwärtswandlungsverhältnissen und einer Leistungsumwandlungsstrategie auf Systemebene:Wird sich die Branche auf ein Abwärtswandlungsverhältnis von 16:1 oder 64:1 einigen, oder werden Systementwickler – wenn der HGÜ-Umrichter in den System-Tray integriert wird – die Leistungsumwandlungsstufen auf verschiedene Spannungsebenen optimieren?  Wenn Lösungen auf der Grundlage einer Optimierung auf Systemebene maßgeschneidert werden, wird dies wahrscheinlich zu einem Bedarf an geregelten HVDC-Umrichtern sowie an ungeregelten Umrichtern mit festem Übersetzungsverhältnis führen, wobei die beiden Typen unterschiedliche Anforderungen an den transienten Betrieb haben. Diese Kompromisse werden sich in Zukunft auf das gesamte Systemdesign auswirken, vom Rack-Eingang bis zur XPU. 

Skalierbare, effiziente und nachhaltige Rechenzentren ermöglichen
Im Zuge der Weiterentwicklung und Reifung dieser Lösungen wird GF gemeinsam mit seinen Kunden die Geräteentwicklung optimieren, Treiber- und Sensorfunktionen in Leistungsbauelemente integrieren und Leistungsbauelemente heterogen mit weiteren Komponenten verbinden.   

Es ist ermutigend, dass sich die Akteure der Branche nicht nur intensiv mit der Machbarkeit von Umrichtern beschäftigen, sondern auch sehr aktiv an der Entwicklung offener Standards arbeiten, wie beispielsweise demTeilprojekt „Power Distribution“ des Open Compute Project, das einen Fahrplan für skalierbare, interoperable HGÜ-Architekturen liefern wird.  

Durch den Einsatz von HVDC-Architekturen können Betreiber und OEMs Effizienzgewinne direkt in die Leistung von XPU und Netzwerk-Clustern umsetzen – und so bei gleichem Energieverbrauch mehr nutzbare Gleitkommaoperationen pro Sekunde (FLOPs) erzielen, während gleichzeitig Energieverluste reduziert, Betriebskosten gesenkt, die Dichte auf Rack-Ebene verbessert und Nachhaltigkeitsziele durch eine effizientere Stromversorgung vorangetrieben werden. Um diese strengen Anforderungen in großem Maßstab zu erfüllen, sind Lösungen erforderlich, bei denen Interoperabilität und der langfristige Wert des Ökosystems oberste Priorität haben. 

Anmerkungen: 

[1]Zukünftige KI-Prozessoren sollen bis zu 15.360 Watt Leistung verbrauchen – der enorme Stromverbrauch erfordert ausgefallene Flüssigkeitskühlung und eingebettete Kühltechnologien | Tom’s Hardware 

[2] Anteil am Gesamtvermögen – NVDAM  

[3]Auf den 800-V-Bus aufspringen: NVIDIAs KI-Power-Architektur und die Chips, die sie antreiben | Electronic Design