Integrierte Optik Warum kleiner nicht immer besser ist!

Anbieter zum Thema

Q.ANT GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

Incap Electronics Germany GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Gemeinsam mit dem IMS Chips in Stuttgart will Q.ANT zeigen, welches Potenzial in der Kombination aus Photonik und lang etablierten Halbleiterprozessen steckt – und ein neues Ökosystem für High Performance Computing in Europa aufbauen.

Das Start-up Q.ANT will das Jahrzehnte alte Paradigma der Halbleiterwelt – je höher die Rechenleistung, umso kleiner müssen die Strukturen auf den ICs werden – auf den Kopf stellen: Denn die photonischen Prozessoren des Unternehmens lassen sich auf ganz gewöhnlichen IC-Produktionslinien fertigen, sogar auf solchen Linien, deren Node nicht auf dem allerneusten Stand der Technik ist. Das macht die Zusammenarbeit mit dem IMS Chips in Stuttgart deutlich. Sie ist der erste Schritt für den Aufbau eines neuen Ökosystems.

Dazu kurz ein Blick darauf, wie heute KI-Chips gefertigt werden. Die neuesten GPUs entstehen bereits mit Hilfe von 2-nm-Prozessen. Dazu sind die extrem teuren EUV-Systeme von ASML erforderlich, ein Grund für die exorbitant hohen Preise der GPUs, die zu Tausenden in heutigen KI-Rechenzentren arbeiten. Auch für die Fertigung der High Bandwidth Memories, die aus übereinandergestapelter DRAM-Dies plus Logik-ICs bestehen, sind fortschrittliche Prozessknoten und ausgeklügelte Advanced-Packaging-Prozesse erforderlich, was diese Speicher ebenfalls sehr teuer macht.

Bildergalerie

KI-Chips oberhalb von 2-nm-Strukturen

Diese Strukturgrößen sind ein bis zwei Größenordnungen von den Dimensionen entfernt, mit denen das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS Chips) ICs in ihrer Fab in Stuttgart üblicherweise gefertigt hat. IMS Chips ist ein Forschungs- und Entwicklungsinstitut, das einen Reinraum und Fertigungsanlagen betreibt, auf denen Halbleiter und photonische Chips hergestellt werden können. Organisiert in der Rechtsform einer Stiftung ist es Aufgabe, den Mittelstand in Baden-Württemberg niederschwellig mit Mikroelektronik und mit Spitzentechnologien zu versorgen.

Das Besondere am Institut ist die hohe Flexibilität entlang der gesamten Prozesskette: von der Front-End-Fertigung bis zum Backend, von einzelnen Prototypen bis hin zu mittleren Stückzahlen. Dabei können unterschiedliche Wafersubstrate und Waferdurchmesser verarbeitet und spezialisierte Prozesse flexibel an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden.

„Wir begleiten Entwicklungen vom Design bis zur Fertigung und können dabei auch spezialisierte Lösungen in kleinen Stückzahlen realisieren, die für kommerzielle Fertigungsdienstleister häufig nicht wirtschaftlich darstellbar sind. Diese besondere Rolle als Forschungs- und Entwicklungsinstitut wird durch die Grundförderung des Landes Baden-Württemberg ermöglicht“, sagt Dr. Mathias Kaschel, Geschäftsfeldleiter Photonics bei IMS Chips.

Genau nach einer solchen Fertigungseinrichtung hatte das Start-up gesucht – und der Zufall wollte es, dass das IMS Chips nur wenige Autominuten vom Firmensitz in Stuttgart entfernt ist.

„Viele Mitarbeiter vom IMS Chips und Q.ANT kannten sich schon aus gemeinsamen Projekten, denn Stuttgart ist eines der Zentren für integrierte Optik“, erläutert Kaschel. So bestand von Anfang an ein besonderes Vertrauensverhältnis zwischen den Partnern.

Pilotlinie für TFLN-Photonik-Chips

Im Februar 2025 starteten Q.ANT und IMS Chips eine Pilotlinie für die Fertigung der photonischen Chips auf Basis von Thin-Film Lithium Niobate (TFLN) mit einer Kapazität von bis zu 60 000 Chips pro Jahr. Dazu investierte Q.ant 14 Mio. Euro in eigene Maschinen, auf denen das Front-End of Line, der TFLN-Prozess, innerhalb der Fab läuft.

„Das Front-End of Line der TFLN-Linie gehört Q.ant . Sie muss von unseren Linien getrennt sein, da sonst die Gefahr der Materialkontamination besteht“, erklärt Kaschel. „Wir entwickeln zusammen mit Q.ant die Prozesse. Die Besonderheit unserer Zusammenarbeit besteht darin, dass Q.ant die Kontrolle über die eigene Prozess-IP auf Ihren Maschinen behält, um IP bei Bedarf auch transferieren zu können. Das würde eine Foundry normalerweise nicht machen.“

Die Fertigungs-Prozesse und das Dicing findet ebenfalls am IMS CHIPS statt. Die Chips liefert IMS Chips an Q.ant , die sie selbst weiterverarbeiten oder sie zu Fertigungspartnern schickt. „Wir ergänzen uns in unseren Fähigkeiten sehr gut, um optische Elemente und Elektronik zu kombinieren“, so Kaschel.

Für ihn ist es besonders interessant, über die Zusammenarbeit Know-how im Bereich von TFLN für Photonik zu gewinnen, was ohne die Investition von Q.ant nicht möglich gewesen wäre. Lithiumniobat ist als optisches Material nicht neu, das Geheimnis steckt in der jetzt möglichen Herstellung von dünnen Schichten von Lithiumniobat auf Silizium-Substraten. Diese TFLN-Substrate hat Q.ant für ihren Prozess ausgewählt. „Eine Schwierigkeit liegt im Bonding-Prozess“, erklärt Kaschel. „Es gibt zwar Firmen, die das beherrschten, jedoch ist der Markt hierfür aktuell sehr klein.“

Stabiler Prozess mit TFLN

„TFLN ist das beste Material, das es für unsere Anforderungen gibt, der Prozess läuft stabil bei hoher Ausbeute, darauf kommt es beim Übergang zur industriellen Fertigung an“, sagt Michael Förtsch, CEO von Q.ANT. Deshalb werde am Material-Stack auf absehbare Zeit nichts geändert werden.

Das heißt nicht, dass Q.ANT nicht mit Eifer die Rechenarchitektur Light Empowered Native Arithmetics (LENA) weiterentwickelt, auf deren Basis die Native Processing Server (NPS) arbeiten. Q.ANT bietet bereits die dritte Prozessorgeneration an, die mit Hilfe von Photonen arbeitetet, die Native Processing Unit (NPU). Alles andere wie etwa der digitale Speicher basiert auf herkömmlicher Elektronik.

„Je länger wir für die Datenprozessierung in der Optik bleiben können, umso dramatischer werden die Kosten für Training und Inference von KI sinken“, erklärt Förtsch. „Wir werden demnächst zeigen, dass wir den optischen Rechenweg noch weiter verlängern können.“

Die Kooperation mit IMS CHIPS zeigt außerdem, dass vielen älteren Fabs, die in Europa existieren, neues Leben eingehaucht werden könnte und sich ein neues europäisches Ökosystem für High Performance Computing (HPC) aufbauen ließe. Dass Europa künftig eine Führungsrolle im HPC einnehmen könnte, scheint in diesem Lichte alles andere als ein vermessener Zukunftstraum zu sein. (kr)

* Heinz Arnold ist freier Fachautor.

(ID:50990208)