Made in IBM Labs: Mit der Kraft des Lichts überträgt der Holey Optochip als erster Chip eine Billion Bit an Informationen pro Sekunde

LOS ANGELES, March 8, 2012 /PRNewswire/ --

• Forscher erfinden eine neue Technik, indem sie zur Steigerung der Datenübertragungsgeschwindigkeit winzige Löcher in einem einzelnen Viertelzollchip ausbilden
• Bislang war es nicht möglich, mit der bestehenden parallel-optischen Übertragungstechnik Daten im Terabitbereich zu transportieren
• Ein neuer Prototyp liefert auf kompakte und effiziente Weise eine ultrahohe Verbindungsbandbreite für künftige Supercomputer- und Datacenter-Anwendungen

Forscher von IBM (NYSE: IBM) werden heute über den Prototyp eines optischen Chipsatzes berichten, den sie "Holey Optochip" (löchriger Optochip) nennen. Dabei handelt es sich um den ersten parallel-optischen Transceiver, der eine Billion Bit - ein Terabit - an Informationen pro Sekunde überträgt; dies entspricht dem Download von 500 High-Definition-Filmen. Der Bericht soll auf der Optical Fiber Communication Conference in Los Angeles präsentiert werden.

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Mit der Fähigkeit, Informationen mit rasender Geschwindigkeit zu übertragen - acht Mal schneller als mit heute verfügbaren parallel-optischen Komponenten - könnte der Durchbruch die Art und Weise verändern, in der wir auf Daten zugreifen, diese teilen und verwenden, und eine neue Ära der Kommunikation, der Rechenverarbeitung und der Unterhaltung einläuten. Die Rohgeschwindigkeit eines Transceivers entspricht der Bandbreite, die von 100.000 Nutzern mit einem derzeit typischen Hochgeschwindigkeits-Internetzugang von 10 Mb/s verbraucht wird. Anders ausgedrückt würde es nur etwa eine Stunde dauern, um das gesamte Webarchiv der amerikanischen Library of Congress über den Transceiver zu übertragen.

Die explosionsartige Vermehrung neuer Anwendungen und Dienste ist es, die den Fortschritt in der optischen Datenübertragung antreibt, da die erzeugten Datenmengen, die über Unternehmens- und Verbrauchernetzwerke übertragen werden, ständig ansteigen. Mit einem Terabit pro Sekunde bietet der neueste Vorstoß von IBM in der optischen Chiptechnologie eine Bandbreite von bislang unerreichtem Umfang, die eines Tages große Mengen von Daten wie z. B. Beiträge auf sozialen Netzwerken, online gestellte digitale Bilder und Videos, Sensorendaten zum Sammeln von Klimadaten und Transaktionsaufzeichnungen von Online-Einkäufen transportieren könnte.

"Das Erreichen der Marke von einer Billion Bit pro Sekunde mithilfe des Holey Optochip stellt den neuesten Meilenstein von IBM in der Entwicklung von Transceivern auf Chipebene dar, die das riesige Datenvolumen der heutigen Zeit handhaben können", so IBM-Forscher Clint Schow, Mitglied des Teams, das den Prototyp geschaffen hat. "Durch Innovationen in den Bereich des Packagings und der Schaltkreise haben wir aktiv nach einem höheren Integrationsniveau, mehr Energieeffizienz und Leistung für alle optischen Komponenten gestrebt. Unser Ziel ist es, die Technologie im Laufe des kommenden Jahrzehnts gemeinsam mit Partnern aus der Produktion bis zur Marktreife weiterzuentwickeln."

Optische Netzwerke bieten das Potenzial, die Datenübertragungsraten wesentlich zu verbessern, indem sie Lichtimpulse für einen beschleunigten Datenfluss nutzen, anstatt Elektronen über Drähte zu leiten. Aus diesem Grund haben Forscher nach Wegen gesucht, optische Signale im Rahmen von standardmäßigen kostengünstigen Chip-Massenproduktionstechniken zu nutzen, um eine breite Anwendbarkeit zu ermöglichen.

Die Forscher der IBM-Labs entwickelten den Holey Optochip in einem neuen Verfahren, indem sie in einem üblichen Silicium-CMOS-Chip 48 Löcher ausbildeten. Die Löcher ermöglichen einen optischen Zugang durch die Rückseite des Chips an 24 Empfänger- und 24 Senderkanäle, wodurch ein ultrakompaktes, hochleistungsfähiges und energieeffizientes optisches Modul entsteht, das rekordbrechende Datenübertragungsraten erreichen kann.

Die Kompaktheit und die Kapazität der optischen Datenübertragung ist heute bei der Auslegung großer Datentransportsysteme unabdingbar. Angesichts dessen wurde das Holey-Optochip-Modul mit Komponenten gefertigt, die bereits heute auf dem Markt erhältlich sind, so dass es auch in der Massenproduktion wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Auch die Forderungen nach umweltschonender Rechenverarbeitung werden erfüllt, indem der Holey Optochip höchste Geschwindigkeiten bereits mit einer Energieeffizienz (der Energiemenge, die zum Übertragen eines Datenbits erforderlich ist) erzielt, die eine der besten ist, die je erreicht wurden. Der Transceiver verbraucht weniger als fünf Watt; die von einer 100-W-Glühbirne verbrauchte Energie könnte 20 Transceiver versorgen. Dieser Fortschritt in energieeffizienten Schaltungsträgern ist notwendig, damit Unternehmen mit hohem Bedarf an Rechenleistung ihren Energieverbrauch kontrollieren und zugleich leistungsfähige Anwendungen ausführen können, etwa zur Analyse, zur Datenmodellierung und zur Vorhersage.

Durch seine nie dagewesene Leistung zeigt der Holey Optochip, dass schnelle Schaltungsträger mit geringem Energieverbrauch in naher Zukunft möglich sind und dass Lichtleiter das einzige Übertragungsmedium sind, das bei der sich beschleunigenden globalen Nachfrage nach Breitband vorne mithalten kann. Die Zukunft der Computertechnik wird stark auf optische Chiptechnologie zurückgreifen, um die zunehmende Datenmenge und die steigende Nutzung von Cloud Computing zu unterstützen und Data-Center-Anwendungen der nächsten Generation zu ermöglichen.

Technische Aspekte des Holey Optochip

Paralleloptik ist eine faseroptische Technologie, die sich hauptsächlich an Multimode-Lichtleitersysteme für große Datenmengen und mit kurzer Reichweite von typischerweise weniger als 150 Metern richtet. Paralleloptik unterscheidet sich darin von der traditionellen seriellen Duplex-Lichtleiterkommunikation, dass die Daten über eine Vielzahl von Lichtleitern gleichzeitig gesendet und empfangen werden.

Ein einzelner 90 Nanometer großer integrierter CMOS-Transceiver-Schaltkreis von IBM mit 24 Empfänger- und 24 Senderschaltkreisen wird zu einem Holey Optochip, indem achtundvierzig Durchgangslöcher durch das Silicium ausgebildet werden - eines für jeden Sender- und Empfängerkanal. Eine einfache Nachbearbeitung fertiger CMOS-Wafer mit allen Bausteinen und standardmäßiger Verdrahtung ergibt einen ganzen mit Holey Optochips bestückten Wafer. Der Transceiverchip ist nur 5,2 mm x 5,8 mm groß. Arrays aus 850 nm großen 24-Kanal-VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) und Fotodiodenarrays werden im Flip-Chip-Verfahren direkt auf den Optochip gelötet. Dieses Direkt-Packaging erzeugt hochleistungsfähige optische Bauelemente auf Chipebene. Die Holey Optochips sind dazu ausgelegt, über ein effizientes optisches Mikrolinsensystem, das mit konventionellen Packaging-Werkzeugen für die Massenproduktion verwendet werden kann, direkt an ein standardmäßiges 48-Kanal-Multimode-Lichtleiterarray gekoppelt zu werden.

Andere Höhepunkte auf der OFC-Konferenz

Auf der OFC-Konferenz präsentieren IBM-Forscher außerdem die folgenden Fortschritte:

• Zwei optische Links mit einer nach heutigem Kenntnisstand besseren Energieeffizienz denn je. Unterstützt durch ein neuartiges Empfängerschaltungsdesign erreicht ein vollständiger Einzekanal-VCSEL-basierter Link einen Betrieb von 15 Gb/s und verbraucht dabei nur 20 Milliwatt Energie. Dies ist die erste praktische Demonstration eines Schaltungsträgers, der das Effizienzniveau erreicht, das etwa ab 2020 für Exascale-Computer erforderlich sein wird.
• Ein vollständiger Einzelkanal-VCSEL-basierter optischer Link mit einer Datenübertragungsrate von 40 Gbit/s, der nicht nur neue Maßstäbe in Sachen Geschwindigkeit setzt, sondern diese hohen Datenübertragungsraten darüber hinaus mit einem signifikanten Spielraum erreicht. Der Durchbruch wird möglich gemacht durch die Transmitter-Vorverzerrung zur verbesserten End-to-End-Leistung des Links, ein Entzerrungsverfahren, bei dem IBM Pionierarbeit geleistet hat.

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