Optoelektronik

Die Integration von immer mehr Strukturen auf immer kleineren Chipflächen in der VLSI^1.1-Technik führt zu Problemen, die auf lange Sicht nicht mehr mit Elektronik allein lösbar scheinen. Bekannte Schwierigkeiten bei zunehmender Strukturverkleinerung (Skalierung) sind z.B. der mit höherer Taktung verbundene Energieverbrauch (Verlustleistung) und damit Probleme der Wärmeentwicklung (Energiedissipation^1.2). Aufgrund langer Leitungswege in feingranularen Strukturen ergeben sich auch große Signalverzögerungszeiten. Bei hohen Frequenzen kommt es zum Übersprechen der Signale benachbarter Leitungen. Das wird problematisch bei globalen Signalen wie z.B. Takt. Ausserdem entstehen Signalverzerrungen (Signaldispersion), die das Signal verschmieren.

Eine Lösung scheint mit der Optoelektronik in Aussicht zu stehen. Das Anliegen der Optoelektronik ist es, die vorteilhaften Eigenschaften der Optik für die Rechentechnik zu nutzen, wobei Optik und Elekronik im Sinne einer synergetischen Arbeitsteilung vereint werden. Die Vorteile der Optik liegen bei der Kommunikation. Wegen der geringen Wechselwirkung der Photonen untereinander gibt es kein Übersprechen zwischen benachbarten Lichstrahlen in optischen Verbindungen. Dadurch werden hochdichte Verbindungen möglich. Das bedeutet auch eine höhere Störsicherheit selbst bei hohen Übertragungsfrequenzen gegenüber elektrischen Verbindungen. Bedingt durch die Übertragung mit Lichtgeschwindigkeit fallen Signalverzögerungen geringer aus. Licht ist etwa um den Faktor 3 schneller als elektrischer Strom. Bei hohen Übertragungsfrequenzen und langen Übertragungswegen ergeben sich zudem nur geringe Energiedissipationen. Solche Eigenschaften machen optische Verbindungen nicht nur attraktiv für die Übertragung von Daten auf größere Distanzen per Glasfaser, sondern auch für den Datentransport zwischen (chip-to-chip)   und innerhalb von Schaltkreisen (on-chip).   Allerdings ist nur die Kommunikation für eine Realisierung mittels Optik geeignet. Die beiden anderen wichtigen Standardaufgaben der Rechentechnik, die Verarbeitung und Speicherung, sind rein-optisch nur schwer zu lösen. Die Verarbeitung bleibt deshalb der Elektronik vorbehalten.

In den letzten Jahren wurden auf dem Gebiet der Optoelektronik große Fortschritte erzielt. Optoelektronische VLSI-Technik für Forschungszwecke steht mittlerweile einem breiten Kreis zur Verfügung. Konzepte und Architekturvorschläge liegen bereits vor, die nur noch auf eine Realisierung mit optoelektronischer Hardware warten. Als Beispiele seien binäre neuronale Assoziativspeicher, Parallelprozessoren für Festkommaarithmetik auf der Basis von Bitalgorithmen und optoelektronische Parallelrechner genannt. Für das zuletzt genannte Parallelrechner-Konzept gibt es mit dem an der Universität von Tokyo entwickelten Feldrechnersystem SPE-4k (Sensoring Processing Element-4k) bereits einen ersten Prototyp mit 4096 optoelekronischen Prozessorelementen, die auf 1 Bit operieren. Die Prozessoren sind bis jetzt noch einzeln auf Baugruppen untergebracht, sollen in naher Zukunft aber alle auf einem Chip integriert werden [EF94].