Optoelektronisches Schaltelement erreicht (theoretisch) 1.000.000 GHz
Deutsch-österreichische Forschungsteams zeigen, dass bei den Taktfrequenzen optoelektronischer Schaltelemente noch viel Luft nach oben ist.
(Bild: Shutter Ryder/Shutterstock.com)
Optoelektronische Schalttechnik ermöglicht Taktfrequenzen von bis zu 1.000.000 GHz, also 1 Petahertz. Zu diesem Ergebnis kommen Forschungsteams der Ludwig-Maximilians-Universität, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universitäten Wien und Graz. Sie sehen dies als theoretisches "Speedlimit für Computer", also etwa für Prozessoren und Grafikchips. Bis es bei PCs aber auch nur annähernd in diese Richtung geht, wird noch viel Zeit vergehen.
Die Forschungsteams beschossen bei den Tests Lithiumfluorid mit ultrakurzen Laserpulsen im extrem-ultravioletten Frequenzbereich. Lithiumfluorid ist dielektrisch und leitet Strom nur bei Bestrahlung mit extrem kurzwelligem Licht. Die Spannung wurde dabei jeweils immer wieder nur so kurz angelegt, dass das Material keine Defekte entwickelt, weil dazu schlichtweg die Zeit nicht reicht. Von einem praxistauglichen Schaltelement ist dieser Versuch weit entfernt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
Kein anderes bekanntes Material hat eine höhere Bandlücke als Lithiumfluorid – es lässt sich also mit den kürzesten Lichtwellenlängen beschießen, um eine möglichst hohe Taktfrequenz zu erreichen. So kamen die Forschungsteams auf das theoretische Maximum von 1 Petahertz.
Forschung reicht weit zurück
Chiphersteller wie Intel forschen schon seit Jahrzehnten an optoelektronischen Schaltelementen für Prozessoren. Dabei geht es zunächst aber primär um optische Schnittstellen, die den Datenaustausch zwischen mehreren CPUs beschleunigen sollen. Ein Prozessor besteht dann aus mehreren Einzelchips. Einer davon integriert die optischen Schnittstellen und verteilt die Daten an die restlichen Chiplets, in denen unter anderem die Rechenkerne sitzen. Die Technik ist für Rechenzentren spannend, die zig Prozessoren aneinanderkoppeln.
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Da unter anderem die Laser, Lichtmodulatoren und Verstärker spezielle Fertigungstechnik benötigen, lassen sich nicht alle Schaltelemente zusammen mit der eigentlichen CPU in einem einzelnen Chip unterbringen. Selbst mit der Aufteilung in Chiplets sind optoelektronische Prozessoren bis dato aber noch nicht wirtschaftlich in Serie herstellbar.
Ein anderes Einsatzfeld für optoelektronische Schaltungen ist Funktechnik. Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des US-Verteidigungsministeriums etwa forscht an entsprechenden High-Electron-Mobility Transistors (HEMTs), die im Bereich eines Terahertz (1000 GHz) arbeiten.
(mma)