Sehr geehrte Investierende und Freunde/Freundinnen von APUS Capital,

die Übertragung und der Austausch von Informationen hat in den letzten Jahrzehnten eine atemberaubende Entwicklung genommen. Die Älteren unter uns können sich noch gut an die Zeit erinnern, wo der direkte Informationsaustausch zwischen zwei Personen an unterschiedlichen Orten nur über das stationäre Telefon möglich war. Alle weiteren Kommunikationsmöglichkeiten verliefen nur in eine Richtung (Fernsehen, Radio) oder waren mit erheblichen zeitlichen Verzögerungen (Briefe, Telegramme) verbunden. Man glaubt es kaum: Diese Zeit liegt nur knapp 40 Jahre zurück! Es ist schon bemerkenswert, wie dramatisch sich unser Alltag durch die Entwicklung der Kommunikationstechnik verändert hat. Heute können wir in Echtzeit und von fast überall auf eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Datenquellen zugreifen. Börsenkurse, die man zum Beispiel früher erst am nächsten Tag in der Zeitung lesen oder ab den 90er Jahren zumindest per Teletext am Fernseher abfragen konnte, sind nun jederzeit in Echtzeit abrufbar. Informationen zu Unternehmen, Institutionen oder Personen, die noch in den 90ern nur durch ausführliches Studium von Tageszeitungen und zeitaufwendige Recherchen verfügbar waren, erhält man nun mit einem Click in Sekundenbruchteilen. Auch für den Informationsaustausch zwischen zwei Personen beziehungsweise Gruppen gibt es nun zahlreiche, extrem effiziente Technologien (E-Mails, Chatprogramme, Videokonferenzsysteme, soziale Medien). Unsere Welt hat sich in den letzten Jahrzehnten, was die Verfügbarkeit, die Menge und insbesondere den Austausch von Informationen anbelangt, entscheidend verändert. Da dies eine kontinuierliche Entwicklung war, ist das vielen von uns so gar nicht bewusst. Ein Leben ohne Computer und Smartphone und mit den eingeschränkten Informationsmöglichkeiten der Vergangenheit könnten sich aber die meisten sicher kaum mehr vorstellen. Dies alles war nur möglich, weil die Kommunikationstechnologie, also die Möglichkeit, Daten zu übertragen, weitgehend den Leistungssprüngen der Datentechnologie (der Fähigkeit Daten zu bearbeiten und zu erzeugen) folgen konnte. Hierzu trugen neue Methoden und Standards zum Datentransport (z.B. TCP/IP) und -komprimierung (z.B. DSL) bei. So konnte die Datenübertragungsrate von lokalen Netzwerken in Häusern oder Unternehmen, auch Ethernet genannt, seit den 90er Jahren um das 40.000-fache gesteigert werden. Statt 10 Mbit/Sekunde können jetzt bis zu 400 Gbit/Sekunde transportiert werden. Noch ausgeprägter sind die Leistungssprünge bei kabelgebundenen Verbindungen über größere Strecken, dem sogenannten WAN (Wide Area Network). Hier hat sich die Übertragungskapazität pro Sekunde um den Faktor 1 Million (!) erhöht. Dies wird noch von den Steigerungen beim Mobilfunk übertroffen. Während der GSM-Standard 1992 gerade einmal 9,6 KBit/Sekunde bewältigen konnte und damit nur Sprachverbindungen und SMS ermöglichte, sind mit 5G theoretisch bis zu 20 Gbit/Sekunde möglich – also 2 Millionen mal mehr Daten als vor rund 30 Jahren. Damit können über mobile Verbindungen Livestreamings, Videotelefonate und Virtual Reality-Anwendungen getätigt werden oder Autos mittelfristig autonom fahren.

Ein wesentlicher Treiber bei der Leistungssteigerung der kabelgebundenen Kommunikationsnetze war die Nutzung der Glasfasertechnologie, auch „optische Netzwerke“ genannt. Hierbei erfolgt die Übertragung von Daten via Photonen (kleinste Lichtteilchen) anstatt Elektronen (kleinste Einheiten elektrischer Ladung). Da Licht sich rund 10mal schneller als elektrischer Strom bewegt, erreicht man hiermit eine deutliche Beschleunigung der Datenübertragung. Zudem weisen Glasfasern eine höhere Bandbreite auf. Das heißt sie können wesentlich mehr Daten übertragen als Kupferleitungen. Hierzu trägt vor allem die Multiplex-Technologie bei. Hierbei wird Licht in verschiedene Wellenlängen aufgesplittet, das dann über bis zu 160 Kanäle parallel Daten übertragen kann. Damit wird die Bandbreite nochmals massiv verbessert.

Die Vorteile der optischen Übertragung von Daten soll nun genauso für die Kommunikation innerhalb eines Gerätes genutzt werden. Nur wenn der Datentransport in ähnlich hoher Geschwindigkeit und Menge möglich ist, können die immer leistungsfähigeren Prozessoren ihre Fähigkeiten voll entfalten. „Photonische integrierte Schaltkreise“ (sogenannte PICs), die ebenfalls schon teilweise die Multiplex-Technologie einsetzen, bringen die Vorteile von optischen Netzwerken auf die Chipebene. Das bedeutet: Höhere Übertragungsgeschwindigkeiten, eine wesentlich größere Bandbreite und einen deutlich geringeren Energieverbrauch. Der Einsatz von PICs wird daher als entscheidender technologischer Schritt gesehen, um zukünftige Datencenter insbesondere im KI-Bereich noch leistungsfähiger und vor allem energiesparender zu gestalten.

Die Herausforderung ist hierbei, alle Komponenten der optischen Schaltung (Lichtquellen, Wellenleiter zur Führung des Lichts, Modulatoren, Detektoren zur Umwandlung des Lichts in elektrische Signale, Filter, Signalverstärker, Multiplexer) auf Siliziumbasis herzustellen. Dies ist mit Blick auf das Material kostengünstig und durch die Nutzung der vorhandenen Maschinen zur Halbleiterfertigung effizient. Die Forschung arbeitet schon seit Jahrzehnten an solchen Lösungen. In den letzten Jahren wurden hierbei aber bedeutende Fortschritte erzielt. Auch weil man auf Silizium-Verbundmaterialien wie Siliziumnitrid oder Silizium-Gallium-Zinn zurückgreift, die deutlich bessere optische Eigenschaften aufweisen. Dank dieser Verbundmaterialien kann nun auch der Laser zur Lichterzeugung auf Siliziumbasis gefertigt werden. Damit können komplette optische Halbleitersysteme in einem Bauteil hergestellt werden. Alternativ nutzt man zur Herstellung von PICs die sogenannte Chiplet-Technologie. Chiplets sind kleine Schaltkreise, die im Baukastenprinzip zusammengesetzt, leistungsstarke Systeme ermöglichen. Die einzelnen Chiplets können dabei durchaus mit unterschiedlichen Materialien oder Fertigungsverfahren hergestellt werden.

Die Vorteile der PICs kommen optimal zum Tragen, wenn sie möglichst eng mit den Prozessoren und Speicherchips zusammengebracht werden. Hierzu nutzt man verstärkt das sogenannte Co-Packaged Optics (CPO)-Verfahren, bei dem die optischen Schaltungen mit anderen traditionellen Halbleitern als „System-on-Chip“ zusammengepackt werden. Dieser Ansatz soll den Stromverbrauch um 30% und die Herstellkosten um 40% reduzieren.

Dies ist aber ebenfalls nur ein Zwischenschritt: Längerfristig streben die Entwickler die Integration von optischen und elektronischen Schaltkreisen auf einem Chip an. Dieser Prozessor mit integrierter optischer Kommunikationseinheit soll die Leistungsfähigkeit nochmals in eine höhere Dimension heben. Aktuell gibt es dabei noch ein entscheidendes technologisches Problem: Die hohe Wärmeentwicklung des Prozessors kann die Funktionsfähigkeit der optischen Bestandteile gefährden. Aber auch hier deutet sich bereits eine Lösung an: Mit thermoelektrischen Materialien wie Germanium-Zinn, die aus Wärme Strom erzeugen können und damit den Prozessor kühlen. Einen anderen, aber ebenfalls erfolgsversprechenden Weg beschreitet Black Semiconductor, ein innovatives Start-up aus Aachen. Hier überzieht man Silizium mit einer Graphen-Schicht und integriert darauf optische und elektronische Schaltungen. Die dabei entstehenden Halbleiter (Pilotfertigung in 2026, Massenproduktion ab 2031) sollen aufgrund der besonderen Eigenschaften von Graphen wesentlich leistungsfähiger, haltbarer und energieeffizienter sein als klassische Silizium-Chips.

 Die beeindruckenden Vorteile bei der Verwendung von Graphen wären:

 Das Bundesministerium für Wirtschaft und das Land Nordrhein-Westfalen fördern das Unternehmen mit Blick auf die enormen Potentiale dieser Technologie mit 229 Millionen €!

 Selbst wenn die Entwicklung von PICs noch lange nicht abgeschlossen ist, hat die Technologie inzwischen eine solche Reife erreicht, dass ihr aufgrund der vielen Vorteile ein rasantes Wachstum vorhergesagt wird. Ab 2026 dürften Co-Packaged Optische Halbleiter in die Massenfertigung gehen. Laut dem Halbleiterforschungsinstitut Yole soll der CPO-Markt von 8 Mio. USD in 2023 auf 9,3 Mrd. USD bis 2030 anwachsen, was einer jährlichen Wachstumsrate von gut 170% (!) entspricht. Hierbei wird das Co-Packaging von PICs mit AI-Prozessoren von Nvidia und Broadcom eine wichtige Rolle spielen. Netzwerkanbieter wie Cisco stehen ebenso vor dem breiten Einsatz von CPO-Lösungen. Als Treiber des Marktwachstums von PICs und CPOs werden nicht nur der Einsatz im Datencenterbereich sondern auch Anwendungen im Gesundheits- (kostengünstige Biosensoren auf Lichtbasis) und Automobilbereich (LIDAR-Scanner für autonomes Fahren) gesehen. Sogar für die Entwicklung alltagstauglicher Quantencomputer könnte die Silizium-Photonik-Technologie längerfristig entscheidend sein, da sie zu den bisher üblichen Quantenprozessoren keine extreme Kühlung braucht und auf der kostengünstigen und verfügbaren Siliziumtechnologie aufbaut.

Photonische integrierte Schaltungen (PICs) und ihre möglichst enge Verbindung mit elektronischen Schaltungen (CPO) sind ein gutes Beispiel, wie sich durch das Beschreiten neuer Wege der technische Fortschritt in der IT- und Kommunikationswelt fortsetzt. Sie sind damit neben dem weiteren Verkleinern der Halbleiterstrukturen, dem Verpacken mehrerer Chips zu einer integrierten Lösung und dem Einsatz neuer Materialien ein weiterer Garant dafür, dass Moore’s Law (die Verdopplung der Leistungsfähigkeit von Halbleiterprozessoren alle zwei Jahre) auch in Zukunft seine Gültigkeit behalten wird. PICs ermöglichen außerdem neue Anwendungen in völlig anderen Bereichen. Zudem sind sie einer der Gründe, warum der oft dargestellte dramatisch ansteigende Energiebedarf der IT-Branche durch neue AI-Datencenter in Wirklichkeit deutlich niedriger ausfallen dürfte. Die Hochrechnungen, dass sich der Stromverbrauch der Rechenzentren alleine in den USA von 4% auf 9% des gesamten Bedarfs ausweiten soll, basieren auf dem technologischen Status Quo und überschätzen daher die zukünftige Entwicklung.

 

Sehr geehrte Investierende und Freunde/Freundinnen von APUS Capital,

wir danken Ihnen, dass Sie nicht mit der Bemerkung „schon wieder etwas über Halbleiter“ abgewunken und bis hierher trotz dem nicht ganz einfachen Thema weitergelesen haben. Die enormen Vorteile und Einsatzmöglichkeiten von Silizium Photonics und deren Co-Packaging mit anderen Halbleitern sind unseres Erachtens aber so interessant, dass wir ihnen diese erst am Anfang stehenden neuen Technologien nicht vorenthalten wollten. Natürlich eröffnet sich für uns auch hier ein spannendes Feld für neue Investments getreu unserem Ansatz, auf die Gewinner des Wandels zu setzen. Gerade die kleinen, oft im Verborgenen arbeitenden Dinge können die Welt verändern. Die Lichtgeschwindigkeit auf Halbleiterebene zu nutzen gehört sicherlich dazu!