Ein digitales Meeting mit instabilem Bild oder Video kennen wir spätestens seit der Corona-Pandemie fast alle. Heute nimmt der Datenverkehr aufgrund von künstlicher Intelligenz (KI), Cloud Computing und des Internets der Dinge weiter zu und in einer zunehmend digitalen Welt ist ein stabiles Netzwerk mit zuverlässiger Datenübertragung nicht nur von großem Vorteil, sondern unverzichtbar. Im Projekt PUNCH stellen sich Forschende am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM genau dieser Aufgabe. In einem internationalen Team aus namhaften Partnern aus Wirtschaft und Industrie, verarbeiten sie neu entwickelte photonisch integrierte Schaltungen (PICs) so in einem elektrischen System, dass Netzwerkübertragungen künftig mit minimalen Verlusten und Verzögerungen auskommen.

Hohe Datenübertragung ohne Verzögerung
Die Datenübertragung über große Entfernungen funktioniert zwar über Glasfaser, aber die Systeme in Rechenzentren und Netzknoten wandeln die optischen Signale immer noch in elektrische um. Dabei kommt es immer wieder zu Signalverzögerungen oder -störungen, weil die elektrischen Signale eine Mindestlaufzeit benötigen. Außerdem geht durch die erzeugte Wärme der elektrischen Widerstände wertvolle Energie verloren. Optische Schaltungen bieten hierfür eine Lösung: Während die Datenverarbeitung immer noch elektronisch erfolgt, bringen die PICs die optischen Signale so nah wie möglich an die elektronischen Chips, wodurch sie Geschwindigkeit und Integrationsdichte signifikant erhöhen. Optische Schaltungen können so nicht nur größere Datenmengen übertragen, sondern sind dabei auch noch schneller und weniger störanfällig. Besonders bei zeitkritischen Anwendungen, beispielsweise in der Fahrzeugkommunikation oder der Videoübertragung, ist das Gleichgewicht zwischen Flexibilität und Zuverlässigkeit eine Herausforderung. Hier setzt das Projekt PUNCH an und garantiert sowohl dynamische Anpassungen als auch zuverlässige Übertragungszeiten.

Elektronische und photonische Schaltungen in einem Package
Während andere Projektpartner:innen, wie beispielsweise die University of Cambridge oder das IMEC, die PICs entwickeln, ermöglicht das Fachwissen am Fraunhofer IZM die Entwicklung einer skalierbaren Packaginglösung. Diese entscheidende Herausforderung lösen die Forschenden mit einer Zusammenführung von PICs und elektronisch integrierten Schaltungen (EICs) in einem heterogenen Fan Out Wafer Level Package (FOWLP). Dabei sind mehrere EICs und ein PIC in einem Package integriert und elektrisch miteinander verbunden. Bislang haben die Wissenschaftler*innen die Technologie für Testchips entwickelt und integrieren sie momentan in funktionalen Chips. Dieses Verfahren bietet dank einfacherer Aufbauart und kürzeren elektrischen Verbindungen eine weitaus bessere Performance gegenüber herkömmlichen Designs. Außerdem verbessern Wafer-Level-Prozesse, die ein bewährtes Verfahren in der Halbleiterindustrie sind, die Skalierbarkeit und senken die Kosten in der Großserienfertigung erheblich. Durch das Verfahren wird die Übertragungsgeschwindigkeit im Netzwerk von derzeit 200 Gb/s um das 8-Fache auf 1,6 Tb/s gesteigert, während die Technologien sogar eine noch weitergehende Skalierung ermöglichen.

Das Projekt läuft bis zum 31. August 2026, und mit Fertigstellung bieten die Forschungsergebnisse eine Lösung für zuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz und garantierter Dienstqualität, weniger Netzwerküberlastungen, einen niedrigeren Energieverbrauch und geringere Kosten für Schnittstellen bei der Übertragung von großen Datenmengen. Es existieren bereits eine Machbarkeitsstudie und erste Demonstratormodule.

Das Projekt PUNCH ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Fraunhofer IZM, Phix BV, Ericcson, AT&S, Nvidia und der University of Cambridge unter der Koordination des IMEC und wurde mit 4.274.284,38 Euro durch das Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizont Europa“ der Europäischen Union unter der Vereinbarung 101070560 „Packaging of ultra-dynamic photonic switches and transceivers (PUNCH)“ unterstützt.

(Text: Lotta Jahnke)