Silicon Photonics: Transceiver von IBM schafft 100 Gbit/s über 2 Kilometer

IBM hat auf der Conference on Lasers and Electro Optics 2015 erstmals einen voll integrierten, monolithischen CMOS-Chip für Silicon-Photonics-Transceiver mit Datenraten von 100 Gbit/s präsentiert. Diese können für kostengünstige und leistungsstarke optische Verbindungen in Servern und Rechenzentren eingesetzt werden.

Der im „IBM CMOS Integrated Nano-Photonics Technology“ genannten Verfahren in unter 100 Nanometer Strukturbreite gefertigte Silizium-Chip beherbergt auf kleinem Raum die verschiedenen elektrischen und optischen Komponenten für einen Transceiver sowie die nötigen Strukturen für das Packaging der Glasfaser-Kabel. Zudem besteht der Vorteil, dass er mit gängigen Produktionsverfahren für Siliziumchips kostengünstig hergestellt werden kann.

Lediglich die vier Laser werden aktuell noch nicht direkt mit den anderen elektrischen und optischen Komponenten auf dem Chip gefertigt, sondern extern eingebracht. In Zukunft sollen aber auch die Laser aus einem III-V-Verbindungshalbleiter mit den anderen Komponenten direkt auf dem Chip gefertigt werden. Die Laser arbeiten mit unterschiedlichen Wellenlängen und erreichen auf den vier optischen Kanälen eine Datenrate von jeweils 25 Gbit/s, die mit Hilfe von Wellenlängenmultiplexing zu einem Signal mit einer Datenrate von 100 Gbit/s kombiniert werden, das über eine einzelne Glasfaser übertragen wird.

Monomodefasern für größere Distanzen und höhere Datenraten

Derartige Transceiver können eingesetzt werden, um große Datenmengen mit Lichtgeschwindigkeit über nur wenige Zentimeter zwischen verschiedenen Chips in Servern, oder aber über längere Strecken innerhalb von Rechenzentren und in Supercomputeranlagen zu übertragen. Hier kommt ein weiterer Vorteil der IBM-Lösung zum Tragen. Statt der meist über kürzere Distanzen verwendeten Multimodefasern, die derzeit auch Intel bei den eigenen Silicon-Photonics-Lösungen nutzt, verwendet IBM Duplex-Monomodefasern.

Diese ermöglichen höhere Datenraten und deutlich längere Übertragungsdistanzen. Die Elektronik ist mit der bisherigen Technologie aber deutlich teurer als Multimodefasern mit Oberflächenemittern als Lichtquelle, weshalb bei den vergleichsweise kurzen Distanzen in Rechenzentren Multimodefasern dominieren. Mit IBMs neuem Transceiver-Chip entfällt das Kostenargument jedoch, sodass die Vorteile der Übertragung über Monomodefasern genutzt werden können. Das aktuelle Referenzdesign von IBM ist dementsprechend für Distanzen von bis zu zwei Kilometern ausgelegt und verspricht damit im Vergleich mit den bisher gängigen optischen Interconnects nicht nur eine höhere Effizienz und niedrigere Kosten, sondern auch eine höhere Reichweite.

Verglichen mit Intels Silicon-Photonics-Transceivern, die derzeit ebenfalls mit vier Wellenlängen multiplexen, verspricht IBM darüber hinaus auch einen Kostenvorteil. Während IBM bis auf die Laser alle Komponenten inklusive der Packaging-Strukturen für die Glasfaser direkt auf einem Chip unterbringt, werden bei Intels Transceiver-Modul Receiver, Transmitter, Modulator und Detektor aktuell separat gefertigt und müssen hinterher zusammengefügt werden. Ebenso fehlen die Packaging-Strukturen auf Waferebene. Dadurch entstehen bei Intels Ansatz höhere Montagekosten.

Doch im Gegensatz zu IBMs Transceivern kommt Intels Technologie als Intel Omni-Path Fabric bereits jetzt im Supercomputer-Bereich zum Einsatz. Ausführliche Details zur aktuellen Silicon-Photonics-Lösung von Intel fehlen zwar, das im vergangenen Jahr zusammen mit Corning vorgestellte MXC-Kabel enthält jedoch bis zu 64 Multimodefasern, die nach letztem Stand über eine Distanz von maximal 300 Metern zusammen bis zu 1,6 Tbit/s übertragen (jeweils bis zu 800 Gbit/s in Sende- und Empfangsrichtung), sofern die entsprechende Zahl an Transceivern zur Verfügung steht. Pro Transceiver entspricht dies einer Datenrate von 25 Gbit/s.

Dass die höheren Übertragungsraten für Supercomputer und Rechenzentren benötigt werden, um den Anforderungen von Big-Data- und Cloud-Anwendungen Herr zu werden, machte erst kürzlich Facebooks Netzwerkarchitekt Yuval Bachar deutlich. Transferraten von 100 Gbit/s seien demnach schon in Kürze unabdingbar, um mit der Entwicklung der Datenmengen Schritt zu halten, aktuell aber einfach noch zu teuer. Der Durchbruch kosteneffektiver Silicon-Photonics-Lösungen komme daher gerade zur rechten Zeit.