Höchsteffiziente inkohärente ICs für THz Kommunikation mit geringem Leistungsverbrauch

• Antragsteller: Professor Dr. Corrado Carta
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566994190

Die Infrastruktur, die die moderne digitale Gesellschaft ermöglicht und unterstützt, erfordert Rechenzentren und Rechenkapazitäten in noch nie dagewesenem Ausmaß, die ständig steigenden Anforderungen unterliegen. Das oft exponentielle Wachstum in mehreren Schlüsselanwendungsbereichen stellt die Skalierbarkeit, energetische Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit der eingesetzten Computerarchitekturen vor Herausforderungen. Grundsätzlich kann die Computerhardware im Kern eines Rechenzentrums als ein Cluster miteinander verbundener Einheiten dargestellt werden, wie z. B. CPUs, GPUs, Speichereinheiten mit unterschiedlichen Zugriffsgeschwindigkeiten und Speichergrößen. Die maximale Datenrate der Übertragungsverbindungen zwischen zwei Einheiten ist oft ein Leistungsengpass des Gesamtsystems, was dazu führt, dass die höchstmöglichen Geschwindigkeiten unterstützt werden müssen. Die Datenübertragungsverbindungen können mit verschiedenen Technologien realisiert werden; ein attraktiver Ansatz zur Ermöglichung zusätzlicher Freiheitsgrade ist die Realisierung von drahtlosen Chip-zu-Chip- oder Platine-zu-Platine-Verbindungen, die in Bezug auf Datenraten und Energie pro übertragenem Bit eine mit kurzen optischen Verbindungen vergleichbare Leistung erbringen können. Dieser Vorschlag zielt auf die Entwicklung eines BiCMOS-Transceiver-Chipsatzes zur Unterstützung der Datenübertragung über kurze drahtlose Verbindungen zwischen zwei Chips in unmittelbarer Nähe ab. Um sowohl hohe Datenraten – in der Größenordnung von 30–50 Gbps – als auch eine hohe Effizienz – in der Größenordnung von etwa 12–16 pJ pro übertragenem Bit – zu unterstützen, werden einfache, nicht kohärente Modulationsverfahren wie binäre Phasenumtastung (BPSK), Differential Phase Shift Keying (DPSK) und On-Off Keying (OOK) werden auf ihre Auswirkungen auf die Effizienz von Sender und Empfänger untersucht. Komplexe modulierte Schemata wie 16/64/256-QAM oder höher sind spektral effizienter, aber der Sender leidet unter einer geringen Energieeffizienz, da er in seinem linearen Bereich arbeiten muss. In seinem Empfänger ist eine kohärente phasenstarre Quelle erforderlich, was die Energieeffizienz des Empfängers erheblich beeinträchtigt. Ein erwartetes Ergebnis dieser Bemühungen ist, dass die Effizienz aus einer drastischen Reduzierung der spektralen Effizienz resultiert, die durch den nicht-kohärenten Betrieb über einen THz-Träger in der Größenordnung von 500 GHz ermöglicht werden kann, da dies zu einer natürlichen HF-Bandbreite von etwa 50 GHz führt und Datenraten von 30 Gbps oder mehr unterstützen kann. Eine so hohe Betriebsfrequenz ist mit den SiGe-HBT-Transistoren der SG13G3-Technologie des IHP erreichbar, die eine nominale fmax von etwa 700 GHz bieten. Dies wäre mit keiner der einfachen Si-CMOS-Technologien möglich, da deren fmax bei etwa 400 GHz gesättigt ist und nicht von einer weiteren Skalierung profitiert, als sie bereits durch die fortschrittlichsten Knoten erreicht wurde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südkorea
• Partnerorganisation: National Research Foundation of Korea, NRF
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Andrea Malignaggi
• Kooperationspartner: Professor Dr. Munkyo Seo