Enorm wachsende Datenmengen stellen die Informations- und Kommunikationstechnik vor Probleme. Besonders das digitale Trainieren sogenannter Large-Language-Models für KI-Anwendungen ist eine rechentechnische Mammutaufgabe. Der Flaschenhals dabei ist die Kommunikation zwischen tausenden Prozessoren in riesigen Parallelrechnern. Hierbei spielen optische Transceiver eine zentrale Rolle: Sie wandeln elektrische Informationen in optische Signale um, die dann über eine Glasfaser oder über einen Lichtwellenleiter effizient und schnell übertragen werden können. Bisher werden für die Signalumwandlung in den Transceivern in der Regel Silizium-Bauteile eingesetzt. Dieser Ansatz stößt jedoch zunehmend an Grenzen, da reine Siliziumbauteile zu langsam für die immer größeren Datenmengen sind. Dazu kommt ein hoher Energieverbrauch der vorhandenen Transceiver, der zu einem hohen CO2-Ausstoß der KI-Modelle beiträgt.
Bessere Datenübertragung mit geringerem Energieverbrauch
Das Projekt ATHENS untersucht neue Materialsysteme und Bauteile für die Umwandlung elektronischer in optische Signale. „Unser Ziel ist es, Transceiver nicht nur leistungsfähiger zu machen, sondern auch effizienter, um höhere Datenübertragungsraten mit dem gleichen oder sogar einem geringeren Energieverbrauch als bisher zu ermöglichen”, erklärt Professor Christian Koos vom Institut für Photonik und Quantenelektronik und vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT. „Die Förderung durch dem ERC Synergy Grant erlaubt uns nun, ATHENS umfassend umzusetzen – von der Auswahl geeigneter Materialien und der Simulation organischer Moleküle bis hin zu einem funktionierenden Übertragungssystem im Labor.“
Kombination von Silizium mit anderen Materialien
Das vierköpfige Projektteam, zu dem neben Koos Professor Stefan Bräse vom Institut für Organische Chemie und dem Institut für Biologische und Chemische Systeme des KIT, Professor Carsten Ronning von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Professor Tobias Kippenberg von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne gehören, verfolgt einen hybriden Ansatz: Die Forschenden kombinieren Silizium mit anderen Stoffen. „Silizium-Bauteile sind kostengünstig und in großen Stückzahlen verfügbar, aber in ihren optischen Eigenschaften eingeschränkt. Wir verbinden Silizium mit weiteren Materialsystemen, um dieses Defizit auszugleichen und die Vorteile von Silizium weiter zu nutzen”, so Koos.
Zum einen testet das Team den Einsatz organischer Materialien, also kohlenstoffbasierter Verbindungen. „Wir können diese Moleküle zunächst im Computer simulieren, bevor wir die Stoffe dann mit den gewünschten Eigenschaften synthetisch im Labor herstellen und sie dann auf Silizium-Wafer drucken“, erläutert Bräse. Eine zweite Methode ist die Kombination siliziumphotonischer Chips mit anderen Chips. Dabei spielen zusätzliche Materialplattformen eine Rolle, etwa sogenannte Crystal-On-Insulator-Plattformen, mit denen eine dünne, einkristalline Schicht eines Materials auf ein isolierendes Trägersubstrat übertragen und dort zu optischen Bauteilen weiterverarbeitet wird.
Förderung stärkt Stellung des KIT bei photonischen Technologien
„Die rasanten Entwicklungen in der Künstlichen Intelligenz sind eine große Herausforderung für die Informationstechnik. Hier gilt es, rasch zukunftsfähige Lösungen zu finden“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung des KIT. „Ich freue mich, dass der Europäische Forschungsrat mit ATHENS ein Projekt an der Schnittstelle zwischen Materialwissenschaften und Informationstechnik fördert. Diese Forschung stärkt die herausragende Stellung des KIT bei den photonischen Technologien, die auch mit dem gerade entstehenden Karlsruhe Center for Optics and Photonics, kurz KCOP, noch weiter an Bedeutung gewinnt.“
Nutzen auch für Quantentechnologie und Medizintechnik
Hybride Materialsysteme für Transceiver könnten nicht nur in KI-Modellen, sondern auch im Bereich der Quantentechnologie und in der Medizintechnik Anwendung finden, etwa in Sensoren für tragbare Geräte oder in optischen Lab-on-Chip-Anwendungen zur Blutwertanalyse.
Förderung
Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert das Forschungsprojekt ATHENS mit einem Synergy Grant in Höhe von insgesamt 14 Millionen Euro über einen Zeitraum von sechs Jahren. Das Projekt wird unter anderem am Karlsruhe Center for Optics and Photonics (KCOP) durchgeführt, das 2025 eröffnet werden soll.
