PIC (Photonic Integrated Circuit)

Ein PIC ist ein Chip, auf dem Licht statt elektrischem Strom die Arbeit macht. Die Abkürzung steht für Photonic Integrated Circuit, auf Deutsch etwa: photonisch integrierter Schaltkreis. Ein gewöhnlicher Computerchip schickt Elektronen durch winzige Metallbahnen. Ein PIC schickt stattdessen Lichtstrahlen durch winzige Kanäle aus Glas oder Silizium, die man Wellenleiter nennt. Auf einem einzigen Plättchen von wenigen Millimetern Kantenlänge sitzen dabei hunderte optische Bauteile: Lichtquellen, Verzweigungen, Schalter und Empfänger. Der Gedanke dahinter ist derselbe wie beim klassischen Mikrochip vor sechzig Jahren — viele einzelne Bauteile auf ein Stück Halbleiter pressen, statt sie einzeln zu verdrahten.

Warum Rechenzentren auf Licht umsteigen

Moderne KI-Modelle werden nicht auf einem Rechner trainiert, sondern auf zehntausenden Grafikkarten gleichzeitig. Diese Karten müssen ständig Zwischenergebnisse austauschen. Die Verbindung zwischen ihnen ist dabei oft der Engpass, nicht die Rechenleistung selbst. Kupferkabel stoßen hier an eine physikalische Grenze: Je höher die Datenrate, desto stärker verschmiert das Signal, und desto kürzer darf das Kabel sein. Bei den heute üblichen Geschwindigkeiten sind das oft nur noch ein bis zwei Meter.

Licht in einer Glasfaser hat dieses Problem nicht in gleichem Maße. Es kann Kilometer zurücklegen, ohne nennenswert schwächer oder unschärfer zu werden. Außerdem lassen sich mehrere Datenströme gleichzeitig durch dieselbe Faser schicken, wenn man verschiedene Farben verwendet. Dieses Verfahren heißt Wellenlängenmultiplex und ist ungefähr so, als würden mehrere Gespräche gleichzeitig durch denselben Raum laufen, weil jede Person in einer anderen Tonlage spricht.

Dazu kommt der Stromverbrauch. Ein großes Rechenzentrum verbraucht einen erheblichen Teil seiner Energie nicht fürs Rechnen, sondern fürs Bewegen von Daten. Optische Verbindungen brauchen pro übertragenem Bit deutlich weniger Energie als elektrische über die gleiche Strecke. Genau deshalb tauchen PICs seit einigen Jahren regelmäßig in Quartalszahlen und Investorenpräsentationen der Chipbranche auf.

Wellenleiter, Modulatoren und der Umweg über Silizium

Der Grundbaustein eines PIC ist der Wellenleiter: ein hauchdünner Streifen Material, in dem Licht gefangen bleibt und dem Verlauf des Streifens folgt. Man kann sich das wie eine Wasserrutsche für Photonen vorstellen. Diese Streifen werden mit denselben Belichtungsmaschinen hergestellt, mit denen auch normale Chips strukturiert werden. Genau das ist der wirtschaftliche Trick: Die Photonik kann die bestehenden Chipfabriken mitbenutzen, statt eine eigene Fertigung von null aufzubauen.

Damit aus Licht ein Signal wird, braucht es einen Modulator. Er schaltet den Lichtstrahl extrem schnell heller und dunkler und codiert so Nullen und Einsen. Am anderen Ende wandelt eine Photodiode das ankommende Licht wieder in Strom um. Beide Bauteile arbeiten milliardenfach pro Sekunde.

Eine Schwäche hat der Ansatz: Silizium leuchtet von sich aus praktisch nicht. Der Laser, der das Licht überhaupt erst erzeugt, muss deshalb meist aus einem anderen Material bestehen und nachträglich auf den Chip gesetzt werden. Dieses Zusammenfügen ist aufwendig und teuer. Ein verbreiteter Irrtum ist übrigens, dass PICs „mit Licht rechnen“. Die allermeisten heute verkauften PICs rechnen gar nicht, sie transportieren nur Daten. Optische Prozessoren, die tatsächlich Rechenoperationen mit Licht ausführen, sind bislang Forschungsthema.

Vom Glasfaseranschluss bis zur Nvidia-Keynote

Am direktesten begegnet einem die Technik im heimischen Glasfaseranschluss. In der kleinen Box an der Wand steckt optische Technik, die Licht in elektrische Signale übersetzt. Auch in medizinischen Sensoren und in der Abstandsmessung selbstfahrender Autos werden photonische Chips eingesetzt.

In Wirtschaftsnachrichten taucht der Begriff meist im Zusammenhang mit dem Stichwort Co-Packaged Optics auf. Dabei sitzt der Photonik-Chip direkt neben dem Rechenchip im selben Gehäuse, statt am Rand des Geräts. Nvidia, Broadcom, Intel und der niederländisch-belgische Forschungsverbund imec arbeiten an solchen Lösungen. Für Anleger ist das interessant, weil hier ein neuer Zulieferermarkt rund um den KI-Boom entsteht.

Wer Meldungen dazu liest, sollte auf zwei Dinge achten. Erstens: Geht es um Datenübertragung oder um Rechnen mit Licht? Das Erste ist ein Milliardenmarkt, das Zweite ein Versprechen. Zweitens: Wird von Laborergebnissen oder von Serienfertigung gesprochen? Zwischen einem funktionierenden Prototyp und Millionen zuverlässiger Chips liegen in dieser Branche oft mehrere Jahre.