Neue Materialien für energieeffiziente Datenübertragung
Die Herausforderung
Rechenzentren verbrauchen heute enorme Mengen Energie – und ihr Hunger wächst. Ihr CO2-Ausstoß liegt bereits heute in der Größenordnung des weltweiten Flugverkehrs und wird durch den flächendeckenden Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) in Zukunft drastisch zunehmen: Für das Training und den Betrieb großer KI-Modelle werden spezielle Rechenzentren gebaut, ein einziges davon kann so viel Strom verbrauchen wie eine Millionenstadt. Darin arbeiten hunderttausende Prozessoren gleichzeitig zusammen und müssen in Echtzeit riesige Datenmengen austauschen. Ist dieser Datenaustausch zu langsam, sind die Prozessoren nicht voll ausgelastet – das System arbeitet dann ineffizient und verbraucht trotzdem enorm viel Strom. Gefragt sind also Technologien, die Daten schneller und zugleich energieeffizienter übertragen können und damit KI-Systeme mit deutlich verbesserter Leistungsfähigkeit und Effizienz ermöglichen.
Unsere Lösung
Einen Ausweg eröffnet die Photonik: Licht überträgt Daten schneller und energieeffizienter als elektrische Signale – diese Grundidee ist nicht neu. Was Christian Koos und sein Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in den vergangenen Jahren entwickelt haben, sind jedoch neue Technologien, mit denen sich Skalierbarkeit, Leistungsfähigkeit und Effizienz optischer Kommunikationssysteme drastisch verbessern lassen – auch unter den Anforderungen industrieller Massenfertigung. Entscheidend dafür sind insbesondere hocheffiziente Modulatoren, also Bauteile, die elektrische in optische Signale übersetzen, sowie skalierbare Integrations- und Fertigungskonzepte. Auf genau diesen Feldern hat die Gruppe von Koos in den vergangenen Jahren Durchbrüche erzielt: Ihre neuartigen Modulatoren kombinieren herkömmliche Silizium-Wellenleiterstrukturen mit hocheffizienten maßgeschneiderten organischen Materialien und verbrauchen dadurch nur noch einen Bruchteil der Energie konventioneller Bauteile bei gleichzeitig verbesserter Leistung. Außerdem verbesserten die KIT-Forschenden auch die Fertigung photonischer Systeme durch 3D-Nanodruck: So lassen sich Chiplets aus unterschiedlichen Materialien präzise und automatisiert miteinander verbinden, ohne aufwändige manuelle Justage. Und auch die parallele Datenübertragung mittels Frequenzkämmen treibt das Team voran: Diese winzigen Bauteile erzeugen gleichzeitig viele Lichtwellen verschiedener Wellenlängen, auf denen Daten parallel übertragen werden können. Das ist besonders relevant für Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen Rechenzentren.
Wie wir schon heute davon profitieren
Um seine innovativen Lösungen möglichst schnell in die Anwendung zu bringen, hat Christian Koos gemeinsam mit Mitgliedern seiner Gruppe bislang sechs Start-Ups gegründet, die eng mit der Industrie zusammenarbeiten – darunter SilOriX für hocheffiziente Modulatoren, Vanguard Photonics und Vanguard Automation für die automatisierte photonische Aufbau- und Verbindungstechnik per 3D-Druck, Keystone Photonics für photonische Testlösungen sowie Deeplight für Frequenzkamm-Lichtquellen. Seine Lösungen sind stark nachgefragt: Vanguard Photonics, Vanguard Automation und Keystone Photonics wurden bereits von international führenden Unternehmen aus der Halbleiterbranche übernommen.
