KIT Forschungsprojekt ATHENS: leistungsfähigere optische Datenübertragung
Besonders das digitale Trainieren sogenannter Large-Language-Models für KI-Anwendungen ist eine rechentechnische Mammutaufgabe. Der Flaschenhals dabei ist die Kommunikation zwischen tausenden Prozessoren in riesigen Parallelrechnern. Hierbei spielen optische Transceiver eine zentrale Rolle: Sie wandeln elektrische Informationen in optische Signale um, die dann über eine Glasfaser oder über einen Lichtwellenleiter effizient und schnell übertragen werden können. Bisher werden für die Signalumwandlung in den Transceivern in der Regel Silizium-Bauteile eingesetzt. Dieser Ansatz stößt jedoch zunehmend an Grenzen, da reine Siliziumbauteile zu langsam für die immer größeren Datenmengen sind. Dazu kommt ein hoher Energieverbrauch der vorhandenen Transceiver, der zu einem hohen CO2-Ausstoß der KI-Modelle beiträgt.
Aus der Kombination von Silizium mit organischen Stoffen sollen neue Wafer entstehen.
Das Projekt ATHENS untersucht neue Materialsysteme und Bauteile für die Umwandlung elektronischer in optische Signale. „Unser Ziel ist es, Transceiver nicht nur leistungsfähiger zu machen, sondern auch effizienter, um höhere Datenübertragungsraten mit dem gleichen oder sogar einem geringeren Energieverbrauch als bisher zu ermöglichen”, erklärt Professor Christian Koos. Das vierköpfige Projektteam verfolgt einen hybriden Ansatz: Die Forschenden kombinieren Silizium mit anderen Stoffen. „Silizium-Bauteile sind kostengünstig und in großen Stückzahlen verfügbar, aber in ihren optischen Eigenschaften eingeschränkt. Wir verbinden Silizium mit weiteren Materialsystemen, um dieses Defizit auszugleichen und die Vorteile von Silizium weiter zu nutzen”, so Koos. Zum einen testet das Team den Einsatz organischer Materialien, also kohlenstoffbasierter Verbindungen. „Wir können diese Moleküle zunächst im Computer simulieren, bevor wir die Stoffe dann mit den gewünschten Eigenschaften synthetisch im Labor herstellen und sie dann auf Silizium-Wafer drucken.“ Eine zweite Methode ist die Kombination siliziumphotonischer Chips mit anderen Chips. Dabei spielen zusätzliche Materialplattformen eine Rolle, etwa sogenannte Crystal-On-Insulator-Plattformen, mit denen eine dünne, einkristalline Schicht eines Materials auf ein isolierendes Trägersubstrat übertragen und dort zu optischen Bauteilen weiterverarbeitet wird.
Für das ATHENS-Projektteam mit Adrian Schwarzenberger, Professor Stefan Bräse, Professor Christian Koos, Hend Kholeif (v. l. n. r., Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT) gibt es eine Finanzierung über den ERC Synergy Grant.
Dazu hat das KIT nun eine Förderung des Europäische Forschungsrat (ERC) bekommen der das Forschungsprojekt ATHENS der Professoren Christian Koos und Stefan Bräse vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit einem Synergy Grant finanziert. „Die Förderung durch dem ERC Synergy Grant erlaubt uns nun, ATHENS umfassend umzusetzen – von der Auswahl geeigneter Materialien und der Simulation organischer Moleküle bis hin zu einem funktionierenden Übertragungssystem im Labor“, so Professor Koos. Der ERC fördert ATHENS für sechs Jahre mit insgesamt 14 Millionen Euro. Das Projekt wird unter anderem am Karlsruhe Center for Optics and Photonics (KCOP) durchgeführt, das 2025 eröffnet wird.
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