Universität Paderborn entwickelt Hochgeschwindigkeits-Chip mit weltweit höchster Bandbreite
Die Anforderungen an ultraschnelle und energieeffiziente Datenverarbeitung steigen weltweit rasant an. Anwendungen wie künstliche Intelligenz, Cloud Computing, moderne Kommunikationssysteme oder Medizintechnik benötigen immer leistungsfähigere Signalverarbeitungstechnologien. Forschende der Universität Paderborn haben nun einen neuen Rekord erzielt und eine integrierte Abtasthalteschaltung auf Silizium-Germanium-Basis mit der weltweit höchsten Kombination aus Abtastrate und Bandbreite entwickelt. Der neue Chip ermöglicht schnellere Schaltgeschwindigkeiten, reduziert den Energieverbrauch und verbessert die Leistung bei hohen Frequenzen deutlich. Gefördert wurde die zweite Projektphase des Vorhabens „PACE“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit 390.000 Euro.
Neue Maßstäbe für ultraschnelle Signalverarbeitung
Im Projekt „PACE“ (Ultrabreitbandiger Photonisch-Elektronischer Analog-Digital-Wandler) arbeiten WissenschaftlerInnen des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn an neuen Technologien für die Hochgeschwindigkeitskommunikation. Bereits zuvor entwickelte das Forschungsteam die weltweit präziseste und schnellste Abtasthalteschaltung („Track-and-Hold-Schaltung“). Mit dem neuen Silizium-Germanium-Chip konnten Bandbreite und Datenrate nun weiter optimiert werden.
Siliziumbasierte Analog-Digital-Wandler wandeln analoge Signale in digitale Daten um und erfassen dabei mehrere Milliarden Werte pro Sekunde. Das im Projekt entwickelte System verarbeitet Daten mit einer Rekordrate von mehr als 500 Gigabit pro Sekunde in einem einzelnen Kanal mittels Quadraturamplitudenmodulation. In Mehrkanalsystemen könnten sogar mehr als 100 Terabit pro Sekunde erreicht werden. Damit eignet sich die Technologie unter anderem für 5G- und 6G-Netze, autonome Fahrzeuge, High-Speed-Sensoren und digitale Bildgebung.
Grundlage für neue Transceiver-Generationen
Der entwickelte Chip bildet außerdem die Basis für eine neue Generation leistungsfähiger Transceiver. „Transceiver sind sozusagen Botschafter zwischen analog und digital“, erklärt Maxim Weizel, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fachgruppe „Schaltungstechnik“ am Heinz Nixdorf Institut unter Leitung von Prof. Dr. Christoph Scheytt. Sie vereinen sowohl das Senden digitaler Daten als auch den Empfang externer Informationen in einem einzigen System.
Abtasthalteglieder zählen zu den zentralen Komponenten moderner Analog-Digital-Umsetzer und kommen in Kommunikationssystemen, Sensorik sowie Messtechnik zum Einsatz. Besonders entscheidend sind dabei hohe Signalbandbreiten und hohe Abtastraten. Denn je größer die Bandbreite bei Funk-, Kabel- oder Glasfaserübertragungen ist, desto schneller lassen sich Daten verarbeiten. Davon profitieren unter anderem moderne Netzwerkkarten, Serverinfrastrukturen und Rechenzentren.
Hohe Bandbreiten als Wettbewerbsvorteil für KI
Gerade im KI-Umfeld gewinnen Geschwindigkeit und Bandbreite zunehmend an Bedeutung. KI-Modelle müssen große Datenmengen in Echtzeit verarbeiten und zwischen Systemen austauschen. „Eine hohe Bandbreite sorgt dafür, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht durch Netzwerkengpässe gebremst wird“, erläutert Weizel.
Die Entwicklung des Chips stellte die Forschenden vor erhebliche Herausforderungen. Die Arbeit mit extrem hohen Frequenzen erforderte höchste Präzision, da bereits kleinste Fehler störende Reflexionen oder Phasenrauschen verursachen konnten. Zusätzlich waren komplexe elektromagnetische 3D-Simulationen notwendig, die große Rechenressourcen benötigten. Unterstützung erhielt das Team dabei vom Paderborn Center for Parallel Computing (PC2).
Am Projekt „PACE“ waren neben der Universität Paderborn auch Forschende der RWTH Aachen, des Karlsruher Institut für Technologie sowie des Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY beteiligt.
Weitere Informationen zum Open-Access-Buch „Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ gibt es unter: SPP 2111 Buch
