Zwei DVDs pro Sekunde: Winziger Chip verarbeitet Daten in extremer Geschwindigkeit

Siemens-Forscher haben gemeinsam mit Spezialisten von Infineon einen Empfänger entwickelt, der Internet-Daten aus Glasfaserleitungen in atemberaubendem Tempo in elektrische Signale wandelt. Bislang sind für den Empfang solcher Signale sehr komplexe und teure Aufbauten nötig. Bauteile wie der erstmals eingesetzte Infineon-Chip sind essenziell, um die Leistungsfähigkeit der Kommunikationsnetze künftig kostengünstig zu erhöhen.

Das Internet erfreut sich zunehmender Beliebtheit. Weltweit wächst die Nutzer-Gemeinde um jährlich zwanzig Prozent. Für über eine Milliarde Menschen gehörte der Klick in das World Wide Web im Jahr 2005 bereits zum Alltag. Damit der dichte Datenverkehr künftig nicht die Telekommunikationsnetze zusammenbrechen lässt, müssen die Betreiber ihre Datenstrecken leistungsfähiger machen – und das zu möglichst geringen Kosten. Dafür sind neue kostengünstige Hightech-Bausteine gefragt. Ein solcher ist jetzt als Prototyp aus dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Kooperations-Projekt "Demonstrator für 80-Gbit/s-Direktempfänger mit elektrischem Zeitdemultiplex" der zentralen Forschung Siemens Corporate Technology (CT) und dem Bereich Communications (Com) in München gemeinsam mit Infineon Technologies entstanden: ein Datenempfänger, der pro Sekunde auf einem winzigen Elektronik-Chip eine Datenmenge von 107 Gigabit verarbeitet. Das ist Rekord, denn bisher sind für einen solchen Hochgeschwindigkeitsempfang deutlich aufwändigere und viel teurere Bauteile nötig. 107 Gigabit entsprechen in etwa der Datenmenge zweier DVDs.

Für gewöhnlich sausen Daten als Lichtsignal über die Hochgeschwindigkeitsstrecken des Internets. Bevor man sie am Bestimmungsort in elektrische Signale zurückverwandeln kann, muss man sie bisher zunächst optisch in mehrere Signale mit geringerer Datenrate aufteilen und anschließend jedes einzelne mit Fotodioden in elektrische Signale umwandeln, damit die nachfolgende Elektronik die Daten verarbeiten kann. Die zur Aufsplittung nötigen optischen Einrichtungen aber sind teuer, außerdem benötigt man mehrere opto-elektronische Wandler, was die Kosten in die Höhe treibt. Das Ziel der Forscher war es deshalb, einen Chip zu entwickeln, der das Signal der Fotodiode direkt aufnimmt und verarbeitet. Der Vorteil: Ein solcher Chip lässt sich in Massen verhältnismäßig günstig herstellen. Komplexe Aufbauten aus mehreren Komponenten sind nicht mehr nötig. Die Nachfahren dieses Prototyps sollen dereinst in den Vermittlungsstellen der großen Netzbetreiber zum Einsatz kommen. Und zwar dort, wo Datenströme mit hoher Geschwindigkeit ankommen – etwa an den Hauptverbindungen zwischen großen Städten. Hier müssen die optischen Signale ausgekoppelt, in elektrische gewandelt und in das örtliche Kupferkabelnetz eingespeist werden. Auf den leistungsfähigsten Hochgeschwindigkeitsstrecken fließen Daten derzeit mit maximal 40 Gigabit pro Sekunde – nicht einmal halb soviel wie bei dem jetzt erstmals getesteten System.

Ein solches Empfängersystem muss erkennen können, in welchem Takt die Datenpakete anrauschen. Das übernimmt ein „Taktrückgewinnungssystem“ – eine Art innere Uhr, die den Rhythmus, den Takt des Datenstroms erspürt. Bei Datenraten jenseits der 40 Gigabit pro Sekunde ist dafür oftmals wiederum ein eigenes opto-elektronisches Bauteil nötig. Der neue Chip hingegen hat eine innere Uhr an Bord. Der kompakte Hochleistungsbaustein wurde in einer Vorläuferversion von Infineons modernster Silizium-Germanium Halbleitertechnologie „B7HF200“ hergestellt und ist gerade einmal 1,7 mal 2,5 Millimeter groß – mit Anschlüssen und einem Gehäuse etwa so groß wie eine Zigarettenschachtel. „Um die Tauglichkeit dieses integrierten Empfängers zu überprüfen, haben wir zusammen mit dem Heinrich-Hertz-Institut in Berlin einen Übertragungsversuch über eine Glasfaserstrecke von 480 km durchgeführt“, sagte Dr. Rainer H. Derksen, Projektkoordinator bei Siemens Corporate Technology in München. Es zeigte sich, dass die Daten fehlerfrei übertragen und empfangen werden konnten. „Damit wurde erstmals die Machbarkeit eines rein elektrischen 107 Gbit/s-Empfängers für die optische Übertragung nachgewiesen.“

Bemerkenswert ist, dass sich der Empfänger für das zukünftige 100 Gbit/s-Ethernet-Übertragungssystem nutzen lässt, das die Telekommunikationsbetreiber derzeit intensiv vorantreiben. Ethernet – für deutlich langsamere1 Gbit/s oder weniger – ist seit langem als ein Standard für die Kommunikation zwischen Computern in Firmen- und Heimnetzwerken bekannt. Da es Daten besonders flexibel transportiert, ist es auch für die großen Übertragungsnetze von wachsendem Interesse. Einer der Vorteile besteht darin, dass die Datenpakete nicht mehr über fest geschaltete Leitungen zum Endkunden sausen, sondern flexibel über Alternativrouten transportiert werden können. Damit lassen sich künftig überlastete Streckenabschnitte, auf denen besonders reger Datenverkehr herrscht, umgehen – zur Zufriedenheit des Kunden. Wie das Kooperationsteam gezeigt hat, ist ihr Chip bereits fit für dieses Netz.

Die Hauptleistung der Forscher bestand im Design des Chips. Denn die winzigen Leitungen im Inneren des kleinen Bauteils aus Silizium und Germanium müssen extrem schnelle Daten verarbeiten können, ohne die Signale zu stören. „Ist die Schaltung falsch dimensioniert, erhält man fehlerhafte Signale“, sagte Derksen. So können falsch dimensionierte Leitungen beispielsweise ein Signal reflektieren. Statt durch den Chip zu sausen, beginnt es zu oszillieren. Die Aufgabe der Siemens-Forscher bestand darin, das Gesamtsystem zu konstruieren, in das der Empfänger eingebettet wird. Derksen betonte, dass die Leistung derartiger Geräte kontinuierlich zunimmt – so flink wie der neue Empfänger ist bislang aber keiner. Theoretisch könnte das Gerät gleichzeitig die Signale von 100.000 DSL-Nutzern verarbeiten. Der CT-Forscher rechnet damit, dass auf Basis des Prototypen in etwa zwei bis drei Jahren erste Produkte auf den Markt kommen werden – und die könnten dank der Massenfertigung in der Chipproduktion konkurrenzlos günstig sein.

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Im Geschäftsjahr 2004/2005 investierte Siemens 5,2 Milliarden Euro in Forschung und Entwicklung, das sind über 23 Millionen Euro pro Arbeitstag. Weltweit arbeiten über 47.000 Forscher und Entwickler an neuesten Technologien. Mit derzeit 53.000 laufenden Patenten gehört der Konzern zur Weltspitze. Die Zentralabteilung Corporate Technology (CT) arbeitet mit weltweit über 1.700 Mitarbeitern an Schlüssel-und Querschnittstechnologien, die in alle geschäftsführenden Bereiche einfließen. Darüber hinaus verantwortet CT innerhalb von Siemens das globale Patentmanagement, den Umweltschutz und die Arbeit in internationalen Standardisierungsgremien. Weitere Informationen zu CT finden Sie im Internet unter www.siemens.de/corporate-technology.

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