Siliziumphotonik, großer Ausbruch

Siliziumphotonik verändert die Datencentren, und die größten Veränderungen liegen noch bevor.

Steckbare optische Module werden seit Jahren in Datencentren eingesetzt und dominieren die Skalierbarkeit in der Breite (scale-out). Die Abbildung unten zeigt das Jupiter-Netzwerk von Google, das zur Vernetzung von Tausenden von Ironwood-TPUs in Clustern dient. Die meisten Kabel in der Abbildung sind gelb, was Einmodenfasern (SMF) repräsentiert. Bei der Skalierbarkeit in der Höhe (scale-up) sagte NVIDIA-CEO Jensen Huang letztes Sommer: "Wir sollten Kupferkabel so lange wie möglich nutzen." Die meisten Beobachter gehen davon aus, dass diese Technologie maximal noch zwei bis drei Generationen lang eingesetzt werden kann.

Abbildung 1: Google Jupiter-Netzwerk

Das Netzwerk für die Skalierbarkeit in der Breite (scale-out) weist eine Vielzahl von Verbindungen auf. Jeder Rack ist mit einem Top-of-Rack (TOR)-Ethernet-Switch ausgestattet, der über 128 Ports hat, und darüber gibt es noch 1 - 2 Ebenen des scale-out-Netzwerks. Die Anzahl der Verbindungen bei der Skalierbarkeit in der Höhe (scale-up) ist viel größer. Beispielsweise gibt es im Nvidia NVL72-Rack 18 Switches, von denen jeder direkt mit jedem der 72 GPU verbunden ist: 18 x 72 = 1296 Verbindungen pro Rack. Mit größeren Pods wie NVL144 und NVL576 erhöht sich auch die Anzahl der scale-up-Verbindungen pro Rack. Daher wird der Markt für optische Fasern stark wachsen, wenn die scale-up-Verbindungen auf Fasern umgestellt werden.

Bei der OFC 2025 (Optical Fiber Communication Conference) veröffentlichte OMDIA eine Prognose für den Markt der optischen Bauelemente. Danach ist der Markt von einigen Milliarden US-Dollar im Jahr 2003 (hauptsächlich in der Telekommunikation) auf etwa 13 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 gewachsen. Die Wachstumsrate wird danach deutlich beschleunigen, und es wird erwartet, dass der Markt bis 2030 auf 25 Milliarden US-Dollar ansteigen wird, was vor allem auf die Entwicklung von Künstlicher Intelligenz-Netzwerken zurückzuführen ist. Zunächst wird die Skalierbarkeit in der Breite (scale-out) profitieren, und in einigen Jahren auch die Skalierbarkeit in der Höhe (scale-up). Die neuesten Prognosen von CignalAI gehen davon aus, dass der Markt bis 2029 auf 31 Milliarden US-Dollar ansteigen wird.

Abbildung 2: Gesamtgröße des Marktes für optische Bauelemente

Optische Komponenten umfassen:

Siliziumphotonik integriert ursprünglich verteilte photonische Bauelemente in einen verbesserten CMOS-Prozess;

Lasern, Silizium-Lichtverstärkern (SOA) sowie anderen Bauelementen, die auf III-V-Halbleiterprozessen (wie Indiumphosphid (InP) und Galliumarsenid (GaAs)) basieren, sowie Gehäusen, Fasern, Steckverbindern und Adaptern, die zur Verbindung zwischen Chips dienen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die Siliziumphotonik. In Folgeartikeln werden andere Schlüsselkomponenten diskutiert.

Wie Licht Daten zwischen Chips überträgt

Die Kupferkabel in Datencentren werden zunehmend durch optische Fasern ersetzt. Die eigentliche physikalische Lichtverbindung wird durch optische Faserkabel hergestellt, die in der Regel "Einmodenfasern" sind und für die Übertragung von Einmoden- oder Mehrwellenlängenlicht verwendet werden. Die Ummantelung schützt die Faser, aber vor allem hat die Ummantelung einen niedrigeren Brechungsindex als der Faserkern, wodurch das Licht in der Faser konzentriert wird. Der Markt für optische Faserkabel ist sehr groß. Der Marktführer Corning verkauft jährlich optische Faserprodukte im Wert von 6,8 Milliarden US-Dollar. Das Unternehmen Meta hat kürzlich mit Corning einen Vertrag über 6 Milliarden US-Dollar abgeschlossen, um in den nächsten Jahren weiterhin optische Faserkabel zu liefern.

Abbildung 3: Einmoden-Faserkabel - Die tatsächliche Faserdurchmesser beträgt 8 - 9 Mikrometer, der Kabeldurchmesser 2 - 3 Millimeter

Die eigentlichen optischen Fasern bestehen aus Glas und sind extrem dünn - nur 9 Mikrometer, also 1/100 Millimeter. Diese winzige Größe ermöglicht es, dass das Licht im Einmodenzustand bleibt, und die Siliziumphotonik nutzt dies aus.

Die Wellenlängen, die in der optischen Faserkommunikation verwendet werden, sind der O-Band, E-Band, S-Band, C-Band und L-Band, da der Signalleistungsverlust in diesen Bändern in der optischen Faser relativ gering ist. Sie liegen alle im Infrarotspektrum.

Abbildung 4: Übertragungsbänder des Lichts in der optischen Faser

Der O-Band wird in der Siliziumphotonik eingesetzt, da der Übertragungsverlust in Siliziumwellenleitern gering ist.

In optischen Fasern oder Wellenleitern von Chips können Einwellenlängen- oder Mehrwellenlängen-Signale verwendet werden. Mehrwellenlängen-Signale können auf zwei Arten realisiert werden: Grobe Wellenlängenmultiplexierung (CWDM) und Dichte Wellenlängenmultiplexierung (DWDM). CWDM bedeutet, dass der Abstand zwischen den Wellenlängen relativ groß ist; DWDM bedeutet, dass der Abstand zwischen den Wellenlängen relativ klein ist. Sowohl CWDM als auch DWDM können eine höhere Bandbreite bieten, aber die Herausforderungen bei ihrer Implementierung sind unterschiedlich.

Bitte beachten Sie, dass obwohl fast alle optischen Fasern für die Vernetzung SMF (Einmodenfasern) sind, sie nicht unbedingt kompatibel sind, da das Licht auf einzelnen oder mehreren Wellenlängen, verschiedenen Wellenlängen und/oder mit verschiedenen Steckverbindern übertragen werden kann.

Anwendungen der Siliziumphotonik

Steckbare optische Bauelemente

Derzeit ist der wichtigste Treiber für die Siliziumphotonik auf dem Datencenter-Markt der steckbare optische Transceiver.

Sie sind standardisierte, heißschaltbare Geräte, die an einem Ende an die elektrische Schnittstelle eines Switches oder Servers angeschlossen werden und am anderen Ende an eine optische Faser. Im Vergleich zu den Kupferkabeln, die sie ersetzen, können sie Daten über optische Fasern mit höherer Bandbreite und niedrigerem Stromverbrauch von einem Switch/Server auf einen anderen übertragen.

Die Hauptkomponenten eines steckbaren optischen Transceivers umfassen: 1) Laser; 2) CMOS-Chips mit DSP-Funktionen und Hochgeschwindigkeits-SerDes; sowie 3) Siliziumphotonik-Chips. In diesen Transceivern moduliert der Siliziumphotonik-Modulator (in der Regel ein Mach-Zehnder-Modulator) das Laserlicht, um die Daten vom CMOS-Chip zu überlagern. Darüber hinaus gibt es Filter, Koppler, Granate, Linsen und Isolatoren. Alle diese Komponenten sind in einem standardisierten steckbaren Gehäuse verpackt.

Das Investor-Report von Coherent aus dem Jahr 2025 prognostiziert, dass der Markt für steckbare optische Bauelemente vom 6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 auf 25 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wachsen wird! Bis 2030 wird der Markt hauptsächlich von 1,6T (1,6 Terabit pro Sekunde) und 3,2T Datenraten dominiert werden, wobei einige langsamere herkömmliche Produkte weiterhin ausgeliefert werden.

Optische Schaltmatrix (OCS)

Google verwendet seit Jahren optische Schaltmatrizen (OCS) in Google Cloud.

Im Gegensatz zu anderen KI-Beschleunigern verwendet Googles TPU keine Switches, sondern eine dreidimensionale Routingstruktur, die die Vernetzung von Tausenden von TPU in einem Cluster ermöglicht. Die Top-of-Rack (TOR)-Switches verwenden steckbare optische Module und sind mit der OCS-Ebene verbunden, was die Re-Konfiguration der gesamten obersten Schicht der Datencenter-Vernetzung ermöglicht. Dies ist wichtig für die Redundanz, Zuverlässigkeit und die Netzwerk-Re-Konfiguration bei sich ändernden Workloads. Googles Lösung verwendet MEMS (Mikroelektromechanische Systeme)-Spiegel, die Hunderte von Eingangsfasern empfangen können und das Licht auf eine beliebige der Hunderte von Ausgangsfasern lenken können.

Abbildung 5: Google OCS verwendet MEMS-Spiegel, um Licht zu routen/schalten

Lumentum und Coherent bieten derzeit auch OCS-Technologien an, wobei Lumentum MEMS und Coherent Flüssigkristalle verwendet. Bei einer Finanzkonferenz im Dezember 2025 sagte der CEO von Coherent: "Wir sind sehr optimistisch in Bezug auf OCS." Letztes Sommer prognostizierten sie, dass das potenzielle Marktvolumen (TAM) für OCS über 2 Milliarden US-Dollar liegen würde. Da sie nun jedoch ein zunehmendes Interesse der Kunden und eine breitere Anwendungsbreite sehen, haben sie die TAM-Prognose auf über 3 Milliarden US-Dollar erhöht.

Mehrere Start-ups entwickeln "zweidimensionale" optische Kommunikationssysteme (OCS) mit kompakterer Siliziumphotonik-Technologie. Dazu gehören iPronics, nEye und Salience. Sie führen alle Proof-of-Concept-Proben durch (nEye und Salience) oder liefern die ersten Produkte (iPronics). Diese Technologien könnten letztendlich wirtschaftlicher oder zuverlässiger als die bestehenden Architekturen sein. Diese hochdichten Lösungen könnten auch ermöglichen, dass OCS in der Skalierbarkeit in der Breite (scale-out) eingesetzt wird, zunächst für Redundanz/Zuverlässigkeit und dann für die volle GPU-zu-GPU-OCS-Verbindung. Eines Tages könnten sie sogar die Silizium-Paketswitches in der Skalierbarkeit in der Breite ersetzen.

Commonly Packaged Optics (CPO)

CPO kann eine höhere Dichte und einen niedrigeren Stromverbrauch als steckbare optische Bauelemente bieten.

Nachdem NVIDIA und Broadcom kürzlich ankündigten, dass sie 2025 Ethernet-Switches für die Skalierbarkeit in der Breite mit gemeinsam verpackten optischen Bauelementen einführen werden, um den Stromverbrauch des Switches zu reduzieren, beginnt CPO, Marktanteile von steckbaren Switches einzunehmen.

Abbildung 6: Nvidia Spectrum-X-Switch für die Skalierbarkeit in der Breite (mit CPO)

Die Switches sind zwei Chips (rote Rechtecke in der Abbildung oben), die von einer flüssigkeitsgekühlten Hülle bedeckt sind. Die vier dicken schwarzen Kabel, die oben aus der Hülle herausragen, sind die Zu- und Ableitungen für die Flüssigkeitskühlung. Die steckbaren Laser (grüne Rechtecke in der Abbildung oben) befinden sich oben in der Box am unteren Ende der Abbildung und dienen zur Bereitstellung des Signalträgers. Insgesamt gibt es 9 Laser, und jede Box kann 8 Laser enthalten. Man kann 9 gelbe Kabel sehen, die vom Laser zum Switch-Chip führen. Die Laser sind steckbar, weil ihre Ausfallrate relativ hoch ist. So können sie bei einem Ausfall leicht ersetzt werden, ohne den gesamten Switch austauschen zu müssen. Links unten ist nur eine Eingangsfaser angeschlossen - das gelbe Kabel. Man kann auch viele andere optische Steckverbindungen sehen. Die optischen Verbindungen von der I/O-Schnittstelle zum Chip müssen sich unterhalb befinden, wo wir sie nicht sehen können.

Der Energieeinsparungsvorteil von CPO (nur ein Drittel des Stromverbrauchs von steckbaren optischen Bauelementen) ist für die Skalierbarkeit von großer Bedeutung, da jeder Rack normalerweise über 1000 Verbindungen hat. NVIDIA, Broadcom, Ayar Labs, Celestial (kürzlich von Marvell übernommen), Lightmatter und Ranovus arbeiten alle an der Entwicklung von CPO-Lösungen.

Abbildung 7: Schematische Darstellung eines KI-Beschleunigers mit CPO

Heutzutage werden alle GPU/XPU/KI-Beschleuniger mit Kupferkabeln verbunden. Wie NVIDIA-CEO Jensen Huang feststellte, ist die aktuelle Tendenz, Kupferkabel so lange wie möglich zu verwenden. Die Leistung von Kupferkabeln nähert sich jedoch der Schwelle der abnehmenden Rendite. Höhere Leistung führt zu kürzeren Verbindungs