Das Rennen um die Siliziumphotonik

Der Aufbruch zu einer neuen technologischen Grenze

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In der Welt der Halbleitertechnologie, wo viel auf dem Spiel steht, ist eine stille Revolution im Gange. Während sich die Welt auf die traditionelle Mikrochip-Fertigung konzentriert, macht China stetig Fortschritte in eine andere Richtung – den Bereich der optischen Chips. Diese aufkeimende Technologie, die Licht anstelle von Elektronen zur Datenübertragung verwendet, hat das Potenzial, die Landschaft des globalen technologischen Wettbewerbs neu zu gestalten.

“Wenn man ein Hindernis nicht überwinden kann, umgeht man es” – dieser Ansatz zur Halbleiterentwicklung wurde von China übernommen. Angesichts zunehmender Beschränkungen beim Zugang zu fortschrittlichen Chipfertigungsanlagen aus westlichen Ländern haben chinesische Wissenschaftler ihre Arbeit an der Siliziumphotonik beschleunigt – einer Technologie, die es ihnen ermöglichen könnte, bestehende Barrieren zu überspringen und das Wettbewerbsumfeld zu verändern.

Warum optische Chips wichtig sind

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Ein optischer Chip, der Licht anstelle von Elektronen zur Datenübertragung verwendet, bietet zahlreiche Vorteile wie höhere Geschwindigkeit, Bandbreite und Energieeffizienz. Die Siliziumphotonik, die photonische Komponenten auf Siliziumbasis integriert, nutzt bestehende Halbleiterfertigungsprozesse.

Stellen Sie sich vor, Sie laden einen ganzen 4K-Film in weniger als einer Sekunde herunter oder trainieren ein KI-Modell, das normalerweise Wochen dauern würde, in nur wenigen Stunden. Optische Chips ermöglichen solche Szenarien und bieten drei entscheidende Vorteile gegenüber ihren elektronischen Pendants:

• Blitzschnelle Geschwindigkeit: Daten bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, nicht mit der Geschwindigkeit von Elektronen.
• Unübertroffene Energieeffizienz: Deutlich geringerer Stromverbrauch und geringere Wärmeentwicklung.
• Außergewöhnliche Bandbreite: Die Fähigkeit, weitaus mehr Daten gleichzeitig zu verarbeiten.

Da sich herkömmliche elektronische Chips ihren physikalischen Grenzen in Bezug auf Leistung und Energieeffizienz nähern, entwickelt sich die optische Technologie zur vielversprechendsten Lösung für die Computeranforderungen der nächsten Generation. Für China ist die Beherrschung dieser Technologie nicht nur eine Frage wissenschaftlicher Leistungen, sondern auch ein Weg zur technologischen Eigenständigkeit in einem kritischen Sektor.

Diese Technologie hat das Potenzial, die Beschränkungen herkömmlicher elektronischer Chips zu überwinden, insbesondere in datenintensiven Anwendungen wie KI und High-Performance Computing (HPC). Die Möglichkeit, dass optische Chips die Beschränkungen konventioneller elektronischer Schaltkreise übertreffen können, ist die Hauptantriebskraft hinter dem globalen Interesse an dieser Technologie.

Bahnbrechende Erfolge in chinesischen Labors

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Integration von Licht mit Silizium

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In der Stadt Wuhan haben Wissenschaftler des JFS-Labors das erreicht, was viele für eine grundlegende Herausforderung hielten: die erfolgreiche Integration einer Laserlichtquelle direkt auf einem Siliziumchip. Diese Errungenschaft – die erste ihrer Art in China – stellt einen entscheidenden Meilenstein in der Entwicklung der Siliziumphotonik dar.

Das JFS-Team, das mit 1,2 Milliarden US-Dollar an staatlichen Mitteln ausgestattet ist, verwendete eine heterogene Integrationstechnologie, um einen Indiumphosphid-Laser mit einem Acht-Zoll-SOI-Wafer zu verbinden. Dies ist eine technische Meisterleistung, die eine der größten Engstellen bei der Datenübertragung zwischen Chips direkt behebt.

Brechen von Geschwindigkeitsrekorden mit Licht

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In der Zwischenzeit haben Forscher der Fudan-Universität etwas Bemerkenswertes geschaffen: einen integrierten photonischen High-Order-Multiplexer-Chip, der Daten mit einer atemberaubenden Geschwindigkeit von 38 Terabit pro Sekunde übertragen kann. Um das ins Verhältnis zu setzen: Dieser einzelne Chip könnte 4,75 Billionen KI-Modellparameter pro Sekunde übertragen – im Wesentlichen ermöglichen KI-Systeme die Verarbeitung von Informationen mit beispielloser Geschwindigkeit.

Dieser Durchbruch geht direkt auf kritische Herausforderungen beim groß angelegten KI-Modelltraining, der Datenzentrumsverbindung und dem High-Performance Computing ein, und zwar mit außergewöhnlicher Energieeffizienz und minimaler Latenz.

Optische KI-Beschleuniger: Tausende Male effizienter

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Die Forscher der Tsinghua-Universität, die sich nicht unterkriegen lassen wollen, haben optische Chips entwickelt, die speziell für KI-Anwendungen entwickelt wurden. Ihr optischer “Taichi-II”-Chip ermöglicht ein effizientes und präzises Training umfangreicher neuronaler Netze in optischen Computersystemen.

Die vorherige Generation des “Taichi-I”-Chips hat bereits eine beeindruckende Flächen- und Energieeffizienz bei KI-Aufgaben demonstriert. Am bemerkenswertesten ist jedoch vielleicht ihr ACCEL-Chip, der Berichten zufolge Computer Vision-Aufgaben 3.000-mal schneller verarbeitet und dabei viermillionenfach weniger Energie verbraucht als modernste GPUs.

Vom Labor zur Fabrik: Aufbau von Fertigungskapazitäten

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Wissenschaftliche Durchbrüche sind ohne die Fähigkeit zur Massenproduktion nutzlos. China geht diese Realität direkt an, indem es die erste inländische Pilotlinie für die Herstellung von Photonenchips am Wuxi Photonic Chip Research Institute startet, das zur Shanghai Jiao Tong University gehört.

Diese Pilotlinie soll eine jährliche Produktionskapazität von 10.000 Wafern erreichen und unterstützt einen vollständigen, geschlossenen Produktionszyklus für Lithiumniobat-Photonenchips sowie Prozesse mit Silizium und Siliziumnitrid. Das erste Set an PDKs (Process Design Kit) soll im ersten Quartal 2025 veröffentlicht werden, um die Bereitstellung externer Chipfertigungsdienstleistungen zu ermöglichen.

Parallel dazu ebnen Durchbrüche bei Materialien den Weg für die Massenproduktion. Shandong Hengyuan Semiconductor Technology hat erfolgreich einen 12-Zoll-Lithiumniobat-Kristall in optischer Qualität entwickelt – ein Schlüsselmaterial für Photonenchips. Forscher des Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology haben eine neue Art von “optischem Silizium” geschaffen, das in Massenproduktion hergestellt werden kann.

Ein wachsendes Ökosystem: Unternehmen und Institutionen treiben Innovationen voran

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Chinas optische Technologielandschaft ist durch ein schnell wachsendes Ökosystem von Unternehmen und Forschungseinrichtungen gekennzeichnet:

Führende Unternehmen

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Von etablierten Technologiegiganten wie Huawei bis hin zu spezialisierten Unternehmen wie Centera Photonics und Sourcelight Technology investieren Dutzende chinesischer Unternehmen stark in verschiedene Aspekte der optischen Technologie – von Komponenten und Transceivern bis hin zu spezialisierter Chipentwicklung und -fertigung.

Forschungszentren

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Chinesische Universitäten und Forschungsinstitute stehen an vorderster Front, wobei die Tsinghua-Universität führend in der Forschung an optischen KI-Chips ist, die Fudan-Universität High-Order-Multiplexer-Chips entwickelt und das Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology Durchbrüche bei “optischen Silizium”-Chips erzielt.

Tabelle 1: Führende chinesische Unternehmen in der optischen Chiptechnologie

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Anwendungen, die Branchen verändern

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Das JFS-Labor hat einen Siliziumphotonik-Chip entwickelt, der mit einem Laser integriert ist und schnelle und widerstandsarme optische Verbindungen für die Datenübertragung ermöglicht, wodurch die Grenzen des Moore’schen Gesetzes möglicherweise überschritten werden. Der von der Fudan-Universität entwickelte High-Order-Multiplexer-Chip erreicht eine extrem breite Bandbreite (38 Tbps) für die On-Chip-Kommunikation, die für große KI-Modelle und Rechenzentren von entscheidender Bedeutung ist. Die “Taichi”- und ACCEL-Chips der Tsinghua-Universität demonstrieren deutliche Verbesserungen der Energieeffizienz (bis zu 1000-mal besser als Nvidia H100 für Taichi-II, 4.000.000-mal weniger Stromverbrauch für ACCEL bei Bildverarbeitungsaufgaben) und der Verarbeitungsgeschwindigkeit für KI-Anwendungen.

Die potenziellen Anwendungen chinesischer optischer Chips umfassen zahlreiche Schlüsselsektoren:

• Telekommunikation und 5G-Netzwerke: Erhöhung der Datenübertragungsgeschwindigkeiten und Effizienz in der 5G-Infrastruktur. Die in China ebenfalls entwickelte Mikrowellenphotonik kann Telekommunikationssysteme erheblich verbessern.
• Rechenzentren und Cloud Computing: Verbesserung der Leistung und Energieeffizienz in Datenverarbeitungskapazitäten. Optische Verbindungen könnten I/O-Engpässe beim KI-Computing beseitigen.
• Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen: Beschleunigung von KI-Berechnungen und Modelltraining. Dies umfasst Anwendungen in großen Sprachmodellen (LLMs) und KI-generierten Inhalten (AIGC).
• Quantenkommunikation: Unterstützung von Fortschritten in der Quantentechnologie.
• Fortschrittliche Sensoren: Ermöglichen von LiDAR in autonomen Fahrzeugen und der Industrieautomation.
• Luft- und Raumfahrt: Verbesserung der Fähigkeiten in der Laserfernerkundung und Laserkommunikation.
• High-Performance Scientific Computing: Beschleunigung komplexer wissenschaftlicher Berechnungen.

Tabelle 2: Vergleich wichtiger Fortschritte in der chinesischen optischen Chiptechnologie

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Wie China im globalen Wettbewerb abschneidet

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Chinas Forschung in nächste Generation Chipfertigungstechnologien, einschließlich optischem Computing, ist Berichten zufolge mehr als doppelt so hoch wie in den Vereinigten Staaten. China führt auch die Anzahl der häufig zitierten Veröffentlichungen in diesem Bereich an. Einige glauben, dass Chinas Fortschritte in der Siliziumphotonik es ihnen ermöglichen könnten, “die Spur zu wechseln” und die USA im Halbleiterbereich zu übertreffen.

Die Vereinigten Staaten sind jedoch aktiv bestrebt, Chinas Zugang zu fortschrittlicher Halbleitertechnologie und -ausrüstung einzuschränken. Einige Analysten vermuten, dass China in Bezug auf die gesamte Halbleiterfertigung immer noch hinter den USA und Taiwan zurückbleibt. Der Vizepräsident von TSMC stellt fest, dass Siliziumphotonik Energieeffizienz- und Rechenleistungsprobleme in der KI lösen könnte.

Klar ist, dass die USA und ihre Verbündeten zwar die Vorherrschaft in der traditionellen Halbleiterfertigung aufrechterhalten, aber auch aktiv in die Siliziumphotonik investieren und deren strategische Bedeutung erkennen.

Der Weg nach vorn: Herausforderungen und Chancen

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Trotz erheblicher Fortschritte steht China noch vor erheblichen Herausforderungen:

Technische und fertigungstechnische Herausforderungen

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• Technische Barrieren für die breite Akzeptanz der Siliziumphotonik bestehen weiterhin
• Die Kommerzialisierung wissenschaftlicher Durchbrüche in massenproduzierte Produkte kann schwierig sein
• Es ist auch notwendig, Software und Betriebssysteme zu entwickeln, die für das optische Computing optimiert sind
• China ist immer noch mit Einschränkungen beim Zugang zu fortschrittlichen Halbleiterfertigungsanlagen wie der EUV-Lithographie konfrontiert
• Die Kosten für die Herstellung fortschrittlicher Chips mit älteren Geräten sind höher

Strategische Chancen

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• Die Photonik bietet hervorragende Geschwindigkeit, Energieeffizienz, Skalierbarkeit und Bandbreite
• Sie kann die Grundlage für viele zukünftige technologische Fortschritte bilden
• China hat das Potenzial, in dieser sich entwickelnden Technologie die Führung zu übernehmen
• Die Siliziumphotonik kann eine Schlüsseltechnologie bei der Entwicklung von KI und HPC sein
• Sie kann China helfen, seine Abhängigkeit von ausländischer Halbleitertechnologie zu verringern

Chinas optischer Chipmarkt: Investitionen, Produktion und Wachstumsprognosen

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In China wurde ein staatlich unterstützter Chipindustrie-Investmentfonds im Wert von 47,5 Milliarden US-Dollar aufgelegt. Das Optics Valley of China (OVC) hat erhebliche Investitionen in die Photonik erfahren. Das JFS-Labor wurde mit 1,2 Milliarden US-Dollar an staatlichen Mitteln gegründet. Huawei plant, erheblich in Chipfertigungsanlagen zu investieren.

Die Pilotlinie in Wuxi zielt darauf ab, eine jährliche Produktionskapazität von 10.000 Wafern zu erreichen. Shandong Hengyuan plant, die jährliche Produktion von Lithiumniobat-Kristallwafern deutlich zu erhöhen. Die gesamte Chip-Produktionskapazität wird in China voraussichtlich steigen.

Tabelle 3: Prognostiziertes Wachstum des chinesischen optischen Chipmarktes

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Hinweis: Für den Global 25G Optical Chip Market Report fehlten die spezifische prognostizierte Marktgröße und die CAGR im verfügbaren Material.

Die Zukunft des lichtbasierten Rechnens

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Der globale Markt für Photonenchips steht vor einem deutlichen Wachstum, wobei Prognosen bis 2031 10,41 Milliarden US-Dollar erreichen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 15,4 %. Der Markt für optische Kommunikationschips wird voraussichtlich ähnliche Werte erreichen, mit einer CAGR von 12,9 % bis 2032.

Da China weiterhin stark in die optische Chiptechnologie investiert, könnte die globale Halbleiterlandschaft erhebliche Veränderungen erfahren. Chinas strategischer Fokus auf optische Chips stellt sowohl eine technologische Absicherung gegen aktuelle Einschränkungen als auch eine mutige Wette auf die Zukunft des Rechnens dar.

Im Rennen um die technologische Vorherrschaft könnten sich Chinas Fortschritte bei optischen Chips als entscheidender Schritt erweisen – der es möglicherweise ermöglicht, Wettbewerber zu überspringen, indem es die Wissenschaft des lichtbasierten Rechnens beherrscht, bevor es andere tun. Da sich herkömmliche elektronische Chips ihren physikalischen Grenzen nähern, könnte die Fähigkeit, Licht für Berechnungen zu nutzen, bestimmen, welche Nation die nächste Ära des technologischen Fortschritts anführt.

Die Siliziumphotonik-Revolution ist in vollem Gange, und China ist entschlossen, an vorderster Front dabei zu sein.