Die Anforderungen an ultraschnelle und energieeffiziente Datenverarbeitung steigen weltweit rasant an. Anwendungen wie k\u00fcnstliche Intelligenz, Cloud Computing, moderne Kommunikationssysteme oder Medizintechnik ben\u00f6tigen immer leistungsf\u00e4higere Signalverarbeitungstechnologien. Forschende der Universit\u00e4t Paderborn haben nun einen neuen Rekord erzielt und eine integrierte Abtasthalteschaltung auf Silizium-Germanium-Basis mit der weltweit h\u00f6chsten Kombination aus Abtastrate und Bandbreite entwickelt. Der neue Chip erm\u00f6glicht schnellere Schaltgeschwindigkeiten, reduziert den Energieverbrauch und verbessert die Leistung bei hohen Frequenzen deutlich. Gef\u00f6rdert wurde die zweite Projektphase des Vorhabens \u201ePACE\u201c von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit 390.000 Euro.<\/p>\n\n\n\n
Im Projekt \u201ePACE\u201c (Ultrabreitbandiger Photonisch-Elektronischer Analog-Digital-Wandler) arbeiten WissenschaftlerInnen des Heinz Nixdorf Instituts der Universit\u00e4t Paderborn an neuen Technologien f\u00fcr die Hochgeschwindigkeitskommunikation. Bereits zuvor entwickelte das Forschungsteam die weltweit pr\u00e4ziseste und schnellste Abtasthalteschaltung (\u201eTrack-and-Hold-Schaltung\u201c). Mit dem neuen Silizium-Germanium-Chip konnten Bandbreite und Datenrate nun weiter optimiert werden.<\/p>\n\n\n\n
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 k\u00f6nnten sogar mehr als 100 Terabit pro Sekunde erreicht werden. Damit eignet sich die Technologie unter anderem f\u00fcr 5G- und 6G-Netze, autonome Fahrzeuge, High-Speed-Sensoren und digitale Bildgebung.<\/p>\n\n\n\n
Der entwickelte Chip bildet au\u00dferdem die Basis f\u00fcr eine neue Generation leistungsf\u00e4higer Transceiver. \u201eTransceiver sind sozusagen Botschafter zwischen analog und digital\u201c, erkl\u00e4rt Maxim Weizel, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fachgruppe \u201eSchaltungstechnik\u201c 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.<\/p>\n\n\n\n
Abtasthalteglieder z\u00e4hlen 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 gr\u00f6\u00dfer die Bandbreite bei Funk-, Kabel- oder Glasfaser\u00fcbertragungen ist, desto schneller lassen sich Daten verarbeiten. Davon profitieren unter anderem moderne Netzwerkkarten, Serverinfrastrukturen und Rechenzentren.<\/p>\n\n\n\n
Gerade im KI-Umfeld gewinnen Geschwindigkeit und Bandbreite zunehmend an Bedeutung. KI-Modelle m\u00fcssen gro\u00dfe Datenmengen in Echtzeit verarbeiten und zwischen Systemen austauschen. \u201eEine hohe Bandbreite sorgt daf\u00fcr, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht durch Netzwerkengp\u00e4sse gebremst wird\u201c, erl\u00e4utert Weizel.<\/p>\n\n\n\n
Die Entwicklung des Chips stellte die Forschenden vor erhebliche Herausforderungen. Die Arbeit mit extrem hohen Frequenzen erforderte h\u00f6chste Pr\u00e4zision, da bereits kleinste Fehler st\u00f6rende Reflexionen oder Phasenrauschen verursachen konnten. Zus\u00e4tzlich waren komplexe elektromagnetische 3D-Simulationen notwendig, die gro\u00dfe Rechenressourcen ben\u00f6tigten. Unterst\u00fctzung erhielt das Team dabei vom Paderborn Center for Parallel Computing (PC2).<\/p>\n\n\n\n
Am Projekt \u201ePACE\u201c waren neben der Universit\u00e4t Paderborn auch Forschende der RWTH Aachen, des Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie sowie des Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY beteiligt.<\/p>\n\n\n\n