Optische Prozessoren: Aufbau und Entwicklungsstand

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Wer an Computer und Halbleiterchips denkt, hat Elektronik im Sinn. Elektronen und elektrische Signale bilden bisher die Grundlage der digitalen Datenverarbeitung. Das gilt etwa für aktuelle Prozessoren für PCs, Smartphones, Server und Netzwerkrouter, die als Logikschaltungen auf Siliziumwafern produziert werden. Dabei bescherte das "Moore’sche Gesetz" der Branche jahrzehntelang stürmisches Wachstum: Immer kleinere Strukturen ermöglichten es, mit jeder neuen Chipgeneration die Anzahl der Transistoren und somit auch der Funktionen enorm zu steigern. Und die Miniaturisierung der Transistoren minderte viele Jahre lang fast automatisch auch deren Stromdurst oder ermöglichte alternativ höhere Taktfrequenzen, also mehr Rechenleistung.

Doch längst stößt die Entwicklung an Grenzen. Transistoren schrumpfen zwar weiterhin, aber ihr Energiebedarf sinkt nicht mehr stark genug. Um Abermilliarden Transistoren untereinander zu verschalten, sind vergleichsweise lange elektrische Leitungspfade in den Chips nötig. Entlang dieser Leitungen entstehen parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, die Signale verzögern und dadurch den Anstieg der Taktfrequenz bremsen. Wie die jüngsten CPU- und GPU-Generationen von AMD, Intel und Nvidia zeigen, fressen viele neue Chips unter Volllast deutlich mehr Energie als ihre Vorgänger.

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Schließlich steigt der Aufwand für Entwicklung und Fertigung von Chips mit feineren Strukturen immer steiler an. Man schätzt die Kosten für die Entwicklung eines komplexen 5-Nanometer-Prozessors auf über 100 Millionen Euro. Ein Satz Lithografiemasken für einen derartigen Chip kostet um die 30 Millionen Euro, ein EUV-Lithografiesystem über 130 Millionen Euro und ein ganzes Fertigungswerk über 5 Milliarden. Nur wenige Hersteller auf der Welt halten da noch mit. Chips der modernsten Bauart rechnen sich nur noch in Millionenstückzahlen oder wenn sie pro Stück mehrere tausend Euro kosten. Anders gesagt schrumpft die Zahl der sinnvollen Einsatzbereiche, je teurer die Entwicklung eines Chips ist.

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