Nächster Rekord in der ultraschnellen Signalverarbeitung
Eine ultraschnelle und energieeffiziente Informationsverarbeitung ist heutzutage in vielen Anwendungen erforderlich: von Kommunikationssystemen über künstliche Intelligenz (KI) bis hin zu Messgeräten, Cloud Computing und Medizintechnik. Im Projekt „PACE“ (Ultrabreitbandiger Photonisch-Elektronischer Analog-Digital-Wandler) haben Wissenschaftler*innen am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn bereits die weltweit präziseste und schnellste „Abtasthalteschaltung“ („Track-and-Hold-Schaltung“) entwickelt. Jetzt konnten sie den nächsten Rekord verzeichnen: die Entwicklung einer integrierten Abtasthalteschaltung auf Silizium-Germanium-Basis mit der weltweit höchsten Kombination aus Abtastrate und Bandbreite. Dies sorgt für schnellere Schaltgeschwindigkeiten, geringeren Energieverbrauch und bessere Leistung bei hohen Frequenzen in der Signalverarbeitung. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die zweite Phase des Vorhabens im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Integrierte Elektronisch-Photonische Systeme für die Ultrabreitbandige Signalverarbeitung“ (SPP 2111) mit 390.000 Euro gefördert.
Wie der neue Chip die Grenzen der Hochgeschwindigkeitskommunikation erweitert
Sogenannte siliziumbasierte Analog-Digital-Wandler (ADCs) wandeln, wie der Name schon sagt, analoge Signale in digitale um und funktionieren so schnell, dass sie pro Sekunde mehrere Milliarden Werte erfassen können. Das im Projekt „PACE“ entwickelte System kann Daten mit einer Rekordrate von mehr als 500 Gigabit pro Sekunde in einem einzelnen Kanal mittels sogenannter Quadraturamplitudenmodulation, einem fortschrittlichen Verfahren für moderne Hochgeschwindigkeitskommunikation, verarbeiten. In einem Mehrkanalsystem, wie z.B. der Weitstreckenkommunikation, könnten sogar mehr als 100 Terabit pro Sekunde erzielt werden. Mit dem neuen rein elektronischen Silizium-Germanium-Chip konnten die Bandbreite und Datenrate weiter optimiert werden. Damit bildet der Chip die Grundlage für Technologien wie beispielsweise 5G/6G, autonome Fahrzeuge, High-Speed-Sensoren und digitale Bildgebung. Zudem ermöglicht er eine neue Generation von Transceivern. „Transceiver sind sozusagen ,Botschafter‘ zwischen analog und digital. Sie vereinen zwei Funktionen in sich: sowohl das Senden von digitalen Daten als auch das Empfangen von Daten von außen“, erklärt Maxim Weizel, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fachgruppe „Schaltungstechnik“ des Paderborner Heinz Nixdorf Instituts unter der Leitung von Prof. Dr. Christoph Scheytt.
In der Praxis bedeutet das: Nachdem eine Abtasthalteschaltung ein Signal „abgetastet“ hat, wird es in ein digitales umgewandelt und kann auf einem Prozessor verarbeitet und analysiert werden. Sogenannte Abtasthalteglieder sind Kernkomponenten von Analog-Digital-Umsetzern, die in sämtlichen Kommunikationssystemen sowie in Sensorik und Messtechnik verwendet werden. Bei dem entwickelten Chip lag das Hauptaugenmerk auf einer hohen Signalbandbreite und Abtastrate. Denn je höher die Bandbreite beim Senden des Signals über Funk (z. B. WLAN oder Bluetooth) oder über Kabel oder Glasfasern ist, desto schneller ist die Datenverarbeitung – und hier bietet der neue Chip besonders viele Vorteile. Ein Beispiel sind moderne Netzwerkkarten: Sind sie mit einer hohen Bandbreite ausgestattet, lässt sich nicht nur die Übertragungsgeschwindigkeit, sondern auch die Gesamtleistung von Servern, Cloud-Infrastrukturen und Datencentern erheblich steigern.
Mit höchster Präzision zur Entwicklung des neuen Chips
„Insbesondere im Zusammenhang mit KI wird eine hohe Geschwindigkeit zum Wettbewerbsvorteil. Denn KI-Modelle müssen in Echtzeit auf große Datensätze zugreifen und miteinander kommunizieren. Eine hohe Bandbreite sorgt dann dafür, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht durch Netzwerkengpässe gebremst wird“, erläutert Weizel. Durch die Kombination aus Geschwindigkeit, Stabilität und Miniaturisierung sind Silizium-Germanium-Chips eine Schlüsseltechnologie für moderne, leistungsfähige Transceiver in der Kommunikation und Sensorik. Bei der Entwicklung des neuen Chips war eine der größten Herausforderungen die Messbarkeit. „Wir haben mit extrem hohen Frequenzen gearbeitet, die wiederum eine extrem hohe Präzision erfordern. Schon kleinste Fehler sorgten für störende Reflexionen oder auch sogenanntes Phasenrauschen. Die elektromagnetischen 3D-Simulationen, die wir durchgeführt haben, waren zudem zeit- und rechenaufwendig. Erfreulicherweise konnten wir dabei aber erheblich von den Ressourcen des Paderborn Center for Parallel Computing (PC2) profitieren. So haben wir es am Ende geschafft und sind stolz, dass unser neuer Chip schon so fortschrittlich ist, dass wir mit ihm die hochwertige Messtechnik, die uns zur Verfügung stand, an ihre Grenzen gebracht haben“, resümiert Weizel.
Am Projekt „PACE“ waren Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn, der RWTH Aachen, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY aus Hamburg beteiligt.
Die Ergebnisse des SPP 2111 werden unter dem Titel „Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ in einem frei verfügbaren Open-Access-Buch vorgestellt. Auch dem Projekt „PACE“ ist ein eigenes Kapitel gewidmet. Weitere Informationen zum Buch gibt es auf der Seite des Heinz Nixdorf Instituts.
