Seit den 1960er-Jahren folgt die Halbleiterindustrie dem Mooreschen Gesetz \u2013 etwa alle zwei Jahre verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip. Doch diese \u00c4ra neigt sich ihrem Ende entgegen. Physikalische Grenzen wie Leckstr\u00f6me, W\u00e4rmeentwicklung und Quanteneffekte bremsen die Miniaturisierung aus. Eine vielversprechende Antwort darauf hei\u00dft \u201eBlack Semiconductor\u201c \u2013 ein junges deutsches Unternehmen aus Aachen, das 2024 Schlagzeilen machte, als es 254,4 Millionen Euro F\u00f6rderung erhielt. Das Besondere: Statt elektrischer Signale setzen sie auf Licht. Doch was genau bedeutet \u201eChips mit Licht\u201c? Dieser Artikel erkl\u00e4rt die Technologie, ihre historischen Wurzeln, aktuelle Herausforderungen und m\u00f6gliche Zukunftsszenarien \u2013 ohne \u00dcbertreibungen, aber mit der n\u00f6tigen Tiefe.<\/p>\n\n\n\n
Bevor wir \u00fcber Licht sprechen, m\u00fcssen wir verstehen, warum elektrische Chips zunehmend scheitern.<\/p>\n\n\n\n Die Branche sucht daher nach Post-CMOS-Technologien: Spintronik, Quantencomputing, Neuromorphe Chips \u2013 und eben Photonik.<\/p>\n\n\n\n Klassische Optoelektronik nutzt Licht nur f\u00fcr \u00dcbertragungsstrecken (Glasfaser). Auf dem Chip selbst wandeln Sender (VCSEL, Laser) elektrische Signale in Licht um, und Empf\u00e4nger (Photodioden) wandeln zur\u00fcck. Das Problem: Diese Konverter sind gro\u00df, energiehungrig und langsam.<\/p>\n\n\n\n Black Semiconductors Ansatz:<\/strong> Sie wollen eine Materialklasse nutzen, die direkt auf Silizium oder andere Halbleiter aufgebracht werden kann und dort Licht erzeugen, leiten und detektieren kann \u2013 ohne separate Konverter. Das Unternehmen spricht von einer \u201eoptischen Verbindungsschicht\u201c<\/strong> (Optical Interconnect Layer) zwischen den Rechenkernen eines Chips.<\/p>\n\n\n\n Konkret geht es um 2D-Materialien<\/strong> \u2013 insbesondere modifiziertes Graphen oder \u00dcbergangsmetalldichalkogenide (TMDCs) wie Molybd\u00e4ndisulfid (MoS\u2082). Diese Materialien k\u00f6nnen als Quantenpunkte<\/strong> oder -t\u00f6pfe<\/strong> Licht emittieren, wenn Elektronen in einem definierten Energieband rekombinieren.<\/p>\n\n\n\n Um die Leistung einzuordnen, ein kurzer historischer Abriss:<\/p>\n\n\n\n Die echte Neuerung von Black Semiconductor ist nicht die Idee an sich \u2013 sondern der Versuch, eine monolithisch integrierte<\/strong> L\u00f6sung zu schaffen, also keine separaten Chiplets, sondern eine einheitliche Fertigung. Das ist technologisch extrem schwierig, weil Lichtquellen normalerweise nicht auf Standard-Silizium-CMOS-Prozessen wachsen.<\/p>\n\n\n\n Der Name \u201eBlack Semiconductor\u201c spielt auf die schwarze Farbe von Graphen<\/strong> und verwandten 2D-Materialien an \u2013 diese absorbieren Licht \u00fcber ein breites Spektrum. Das Gegenteil w\u00e4re ein \u201etransparenter Halbleiter\u201c wie Indium-Zinn-Oxid (ITO). Schwarz bedeutet hier: starke Licht-Materie-Wechselwirkung, ideal f\u00fcr Detektion und Emission.<\/p>\n\n\n\n Die konkreten Materialien, die Black Semiconductor laut \u00f6ffentlichen Patentrecherchen und Pr\u00e4sentationen nutzt, sind:<\/p>\n\n\n\n Ein wichtiger Unsicherheitsfaktor: Keines dieser Materialien ist heute in einer Hochvolumen-Fab (300\u202fmm Wafer, CMOS-Reinraum) etabliert. Die Fertigungstechnologie existiert nur im Labor- oder Pilotma\u00dfstab.<\/p>\n\n\n\n Kontroverse 1: Zu viel Hype?<\/strong> Kontroverse 2: Konkurrenz durch etablierte Player<\/strong> Kontroverse 3: Physikalische Grenzen<\/strong> Selbst im Erfolgsfall: Licht ersetzt nicht die Transistoren. Es ersetzt die Leitungen zwischen ihnen<\/strong>. Das ist evolution\u00e4r, nicht revolution\u00e4r \u2013 aber dennoch enorm wichtig, denn heute verbrauchen Datenbewegungen auf KI-Chips (wie NVIDIA H100) oft mehr als 80\u202f% der Energie.<\/p>\n\n\n\n \u201eBlack Semiconductor\u201c steht sinnbildlich f\u00fcr eine vielversprechende, aber technisch extrem anspruchsvolle Richtung: optische Verbindungen direkt auf dem Chip. Die Grundlagenforschung an 2D-Materialien ist solide, die Industrief\u00f6rderung ambitioniert. Dennoch bleiben erhebliche Unsch\u00e4rfen: Keine \u00f6ffentlich zug\u00e4nglichen Messdaten zur Effizienz bei Raumtemperatur, keine best\u00e4tigte Fertigungsausbeute, kein klar definierter Produktfahrplan.<\/p>\n\n\n\n F\u00fcr Technikhistoriker ist dieser Fall interessant, weil er die typische Muster eines \u201eTechnologie-Hypes\u201c zeigt: viel Kapital, wenig \u00f6ffentliche Daten, gro\u00dfe Versprechen. Gleichzeitig unterscheidet er sich von reinen Luftschl\u00f6ssern \u2013 die physikalische Notwendigkeit optischer Interconnects ist unbestritten. Ob Black Semiconductor oder ein anderer Player den Durchbruch schafft, wird sich bis 2030 zeigen.<\/p>\n\n\n\n Bis dahin bleibt die Devise: Begeisterung zulassen, aber bei der Faktenlage bleiben. Licht auf Chips ist kein Wundermittel \u2013 aber ein wichtiges Puzzlest\u00fcck.<\/p>\n\n\n\n Einleitung Seit den 1960er-Jahren folgt die Halbleiterindustrie dem Mooreschen Gesetz \u2013 etwa alle zwei Jahre verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip. Doch diese \u00c4ra neigt sich ihrem Ende entgegen. Physikalische Grenzen wie Leckstr\u00f6me, W\u00e4rmeentwicklung und Quanteneffekte bremsen die Miniaturisierung aus. Eine vielversprechende Antwort darauf hei\u00dft \u201eBlack Semiconductor\u201c \u2013 ein junges deutsches Unternehmen […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[19,21,32],"tags":[102,968,1195,2862,4699,5135,6347],"class_list":["post-3259","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-im-ruckspiegel","category-industriegeschichte","category-techarchaologie","tag-2d-materialien","tag-black-semiconductor","tag-chipfertigung","tag-graphen","tag-mooresches-gesetz","tag-optische-interconnects","tag-silizium-photonik"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3259","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=3259"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3259\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3259"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=3259"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/technodidact.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=3259"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}Problem<\/th> Beschreibung<\/th> Auswirkung<\/th><\/tr><\/thead> Leckstr\u00f6me<\/td> Bei Strukturen unter 5 nm tunneln Elektronen unkontrolliert durch Isolatoren<\/td> H\u00f6herer Energieverbrauch, Hitze<\/td><\/tr> Kupferverluste<\/td> Elektrischer Widerstand in immer d\u00fcnneren Leitungen<\/td> Signalverz\u00f6gerung, W\u00e4rme<\/td><\/tr> Taktskalierung<\/td> H\u00f6here Frequenzen erzeugen zu viel W\u00e4rme<\/td> Taktfrequenz stagniert seit ~2005<\/td><\/tr> Interkonnekt-Dominanz<\/td> Signale zwischen Rechenkernen verbrauchen mehr Energie als die Rechnung selbst<\/td> Flaschenhals (\u201evon-Neumann-Bottleneck\u201c)<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n 2. Die Idee: Licht statt Strom auf dem Chip<\/h4>\n\n\n\n
3. Historische Entwicklung: Von der Glasfaser zum Chip-Photonik<\/h4>\n\n\n\n
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4. Materialhintergrund: Warum \u201eBlack\u201c?<\/h4>\n\n\n\n
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5. Aktuelle Kontroversen und realistische Einsch\u00e4tzung<\/h4>\n\n\n\n
Die F\u00f6rderung von 254\u202fMio. \u20ac (Bundesministerium f\u00fcr Wirtschaft und Klimaschutz + Chipfertigungsauftr\u00e4ge) ist die bisher gr\u00f6\u00dfte Einzelf\u00f6rderung f\u00fcr ein deutsches Deep-Tech-Startup. Kritiker verweisen auf gescheiterte Vorg\u00e4nger (z.\u202fB. QuTech, diverse Graphen-Startups). Die Fraunhofer-Gesellschaft hat 2024 einen Bericht ver\u00f6ffentlicht, wonach optische Interconnects fr\u00fchestens 2030 marktreif werden \u2013 wenn \u00fcberhaupt.<\/p>\n\n\n\n
Intel hat mit seiner \u201ePhotonics Integrated Circuit\u201c-Sparte bereits funktionierende Produkte (z.\u202fB. f\u00fcr Rechenzentren). Ayar Labs (USA) liefert optische Chiplets an NVIDIA und AMD. Black Semiconductor setzt auf Monolithik \u2013 das ist riskanter, aber potenziell effizienter.<\/p>\n\n\n\n
Lichtwellenleiter auf einem Chip ben\u00f6tigen Abmessungen im Bereich der Wellenl\u00e4nge (ca. 1\u202f\u00b5m f\u00fcr Infrarot). Das ist viel gr\u00f6\u00dfer als heutige Transistorstrukturen (2\u20135\u202fnm). Das bedeutet: Optische Verbindungen werden immer gro\u00dfer sein als elektrische. Sie eignen sich daher vor allem f\u00fcr l\u00e4ngere Verbindungen auf dem Chip<\/strong> (zwischen Kernen, zwischen Cache-Bl\u00f6cken), nicht f\u00fcr die allerfeinste Logik.<\/p>\n\n\n\n6. Zuk\u00fcnftige Implikationen<\/h4>\n\n\n\n
Szenario<\/th> Eintrittswahrscheinlichkeit (gesch\u00e4tzt)<\/th> Auswirkung<\/th><\/tr><\/thead> Optische Interconnets f\u00fcr HPC\/AI-Chips bis 2028<\/td> Mittel (40\u202f%)<\/td> Energieverbrauch von KI-Chips sinkt um Faktor 10\u2013100<\/td><\/tr> Monolithische Integration in Standard-CMOS<\/td> Gering (10\u202f%)<\/td> Neuartige Chiparchitekturen, optisches Rechnen m\u00f6glich<\/td><\/tr> Black Semiconductor wird Marktf\u00fchrer<\/td> Sehr gering (5\u202f%)<\/td> Deutscher Halbleiterstandort mit neuer Technologie<\/td><\/tr> Technologie scheitert an Fertigung<\/td> Hoch (50\u202f%)<\/td> Graphen\/TMDCs bleiben Nische, Ayar-Labs-Ansatz setzt sich durch<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n Fazit und Ausblick<\/h3>\n\n\n\n
Quellen<\/h3>\n\n\n\n
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