Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) stellen die elektronische Hardware und dabei speziell die Rechenleistung und Speicherkapazität vor enorme Herausforderungen. Für KI-Anwendungen wird eine Rechenleistung benötigt, die mehr als fünfmal so schnell wie im Mooreschen Gesetz angenommen zunimmt. Mit den aktuell vorherrschenden elektronischen Ansätzen ist ihre Umsetzung nicht möglich. Das Projekt PHOENICS zielt daher darauf ab, diesen Herausforderungen mit innovativen Hardware-Ansätzen für die Verarbeitung dieser enormen Datenmengen zu begegnen. Durch die Abkehr von elektronischen hin zu photonischen Ansätzen wird das Projekt PHOENICS neue Methoden entwickeln, um Standards für die ultraschnelle Informationsverarbeitung zu etablieren.

Photonische Integration verschiedener Chip-Plattformen

PHOENICS steht für „Photonic enabled petascale in-memory computing with femtojoule energy consumption“ und bündelt drei Projektziele: Im Gegensatz zu herkömmlicher Hardware wird das Konzept des In-Memory-Computing eine Datenverarbeitung ermöglichen, die dem menschlichen Gehirn ähnlicher ist, indem die Trennung zwischen Rechen- und Datenspeichereinheiten aufgehoben wird. Photonische Konzepte ermöglichen einen Hochgeschwindigkeits-Datentransport, bei dem derzeitige elektronische Systeme an ihre Grenzen stoßen. Insgesamt wird die entwickelte Informationsarchitektur zu einer erheblichen Reduzierung des Energiebedarfs führen.

Die Informationsverarbeitungsarchitektur im Projekt PHOENICS basiert auf der hybriden Integration dreier verschiedener Chip-Plattformen: Ein Frequenz-Mikrocomb-Chip wird gemeinsam von der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) und MicroR Systems entwickelt und eine vom Heinrich-Hertz-Institut (HHI) entwickelte aktive Modulationseinheit aus Indiumphosphid wird durch einen von den Universitäten Exeter, Oxford und Gent entwickelten Silizium-Photonik-Prozessor ergänzt. Die Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Nanoscribe und IBM werden die Systemarchitektur entwerfen und die Chip-Plattformen verbinden.

Fortschritte im Alignment und Packaging photonischer Komponenten

Im Projekt PHOENICS wird Nanoscribe neue hardware- und software-basierte Lösungen für das photonische Packaging entwickeln. Eine zentrale Herausforderung für die Industrialisierung photonisch integrierter Systeme ist die große Vielfalt photonischer Plattformen, die typischerweise alle unterschiedliche optische Kopplungsschnittstellen aufweisen. Eine effiziente optische Kopplung ohne ein aktives Alignment wird damit nahezu unmöglich. Nanoscribe zielt darauf, die Ergebnisse des Projekts in Lösungen für das photonische Packaging zu integrieren, die aus automatisierten Systemen, Software, Fotolacken und geeigneten Druckprozessen bestehen. Nanoscribe setzt hardwareseitig auf das maskenlose Lithografiesystem Quantum X und arbeitet gemeinsam mit den Projektpartnern an einer fortschrittlichen Plattform mit dem Ziel, einen Industriestandard für das Photonic Packaging der nächsten Generation zu etablieren.

Multidisziplinäres EU-gefördertes Projekt

PHOENICS bringt neun führende Forschungseinrichtungen und Unternehmen zusammen. Das vierjährige Projekt ist ein gemeinsames Forschungsvorhaben, das durch die Westfälische Wilhelms-Universität Münster (Deutschland) koordiniert wird und in dem sich neben Nanoscribe mit der University of Exeter (Großbritannien), École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Schweiz), University of Oxford (Großbritannien), Heinrich-Hertz-Institut der Fraunhofer Gesellschaft (HHI, Deutschland), Ghent University (Belgien), IBM Research GmbH (Schweiz) und MicroR Systems (Schweiz) weitere Projektpartner engagieren.

Das Projekt wurde von Horizon 2020, dem EU-Programm für Forschung und Innovation, mit 5,8 Millionen Euro gefördert. Über die vierjährige Förderperiode plant das Konsortium die photonische Datenverarbeitung als wettbewerbsfähigen Ansatz für maschinelles Lernen zu etablieren.