Ein Gespräch mit Dr. Yusheng Bian, dem Pionier im Bereich Siliziumphotonik bei GF und Optica Fellow

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 zum Optica Fellow ernannt 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 zu reflektieren, die diese Technologie derzeit vorantreibt.

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

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 sowie 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 power geringeren power , größere Übertragungsentfernungen und eine deutlich bessere Signalintegrität.

Dies stellt einen echten Paradigmenwechsel dar: weg von der traditionellen 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 erwartet?

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 endgültig 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, power 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, einen Umsatz in Milliardenhöhe generieren. Diese Technologie ist bereits etabliert und weit verbreitet.

Neben steckbaren optischen Modulen zeichnen sich zwei weitere Paradigmen ab. Das erste ist der Übergang von herkömmlichen steckbaren optischen Modulen zu sogenannten „Co-Packaged Optics“. Dabei handelt es sich um eine kompaktere Lösung, bei der das optische Modul wesentlich näher an die Recheneinheit, wie beispielsweise den Switch-ASIC, herangeführt wird. 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, chipgroße 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 wird.

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 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 die Kundenabdeckung über verschiedene Anwendungsbereiche hinweg. 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 vorantreiben und der Bedarf an höheren Bandbreiten und geringerem power 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 power ermöglicht. Wir sind überzeugt, 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 entscheidenden Unterschied aus. 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.