Lichtgeschwindigkeit: Wie integrierte Photonik die Verbindungskrise der KI löst

Jahrzehntelang ging die Halbleiterindustrie von einer beruhigenden Annahme aus: Je schneller die Chips wuchsen, desto schneller würde der Rest des Systems mithalten. Diese Annahme bricht nun zusammen, und nirgendwo ist der Stress deutlicher zu erkennen als in einem KI-Rechenzentrum.

Die Zahlen sind atemberaubend. Der Bedarf an Cloud-Bandbreite verdoppelt sich effektiv alle zwei Jahre. Die Größe von KI-Modellen skaliert schneller, als das Mooresche Gesetz berücksichtigen kann. Jensen Huang, CEO von Nvidia, brachte das Ausmaß der Herausforderung auf der Computex 2025 auf den Punkt, als er bemerkte, dass das NVLink-Rückgrat – die Hochgeschwindigkeits-Verbindungsstruktur, die die GPU-Cluster von Nvidia verbindet – mehr Daten pro Sekunde bewegt als das gesamte Internet. Was einst eine theoretische Einschränkung war, ist zu einem betrieblichen Notfall geworden.

Kupfer stößt an seine Grenzen

Der Übeltäter ist Kupfer. Herkömmliche Kupfer-SerDes-Verbindungen leisten seit Jahren zuverlässige Dienste in der Branche, stoßen jedoch an grundlegende physikalische Grenzen. Bei den Signalgeschwindigkeiten, die moderne KI-Workloads erfordern, können Kupferkabel nur kurze Distanzen überbrücken, bevor die Signalintegrität zusammenbricht.

Da GPU-Cluster immer weiter skalieren, haben Kupferverbindungen Schwierigkeiten, Schritt zu halten. Bild mit freundlicher Genehmigung von Adobe Stock (lizenziert).

Da GPU-Cluster von Dutzenden über Hunderte bis hin zu Tausenden von Beschleunigern wachsen, die über mehrere Racks verteilt sind, kann Kupfer diese Lücke einfach nicht schließen. Die KI-Scale-up-Netzwerke von morgen – die dichten Strukturen mit hoher Bandbreite, die es Tausenden von GPUs ermöglichen, als eine einzige Recheneinheit zu koordinieren – erfordern etwas grundlegend anderes.

Dieses Etwas ist leicht. Die Photonikindustrie liefert seit langem optische Transceiver in Form von steckbaren Modulen an Rechenzentren – diskrete Komponenten, die am Rande eines Switches oder Servers elektrische Signale in optische umwandeln. Diese steckbaren Lösungen funktionieren, sind aber mit hohen Kosten verbunden: Latenzzeiten von mehreren zehn bis hundert Nanosekunden, Energieverbrauch etwa 17–18 Pikojoule pro Bit und Bandbreitendichte von maximal etwa 1–2 Terabit pro Sekunde pro Millimeter Chipkante.

Für die nächste Generation der KI-Infrastruktur sind diese Zahlen um eine Größenordnung unzureichend.

Gemeinsam verpackte Optik

Die neue Lösung ist Co-Packaged Optics (CPO) – die Integration der optischen Engine direkt neben dem Rechen-ASIC oder der GPU auf demselben Substrat, wodurch die lange elektrische Leitung zwischen Prozessor und Transceiver entfällt. Aber nicht alle CPO-Architekturen sind gleich. Der Mainstream-Ansatz nutzt CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), das vier optische Kanäle mit bis zu 200 Gbit/s pro Kanal auf eine Glasfaser packt. Es ist eine Verbesserung gegenüber steckbaren Geräten, aber es ist nur eine halbe Sache.

Die vielversprechendere Architektur – und die, auf die Scintil Photonics das Unternehmen setzt – ist DWDM CPO: Dense Wavelength Division Multiplexing kombiniert mit Co-Packaged-Integration. Der Leistungsunterschied zwischen den beiden ist groß. Während CWDM CPO eine Latenz von 50 bis 100 Nanosekunden und eine Energieeffizienz von etwa 7 Pikojoule pro Bit liefert, erreicht DWDM CPO eine Latenz von unter 5 Nanosekunden und eine Energieeffizienz von unter 3,5 Pikojoule pro Bit.

Scintils Ansatz besteht darin, DWDense Wavelength Division Multiplexing (DWPM) mit Co-Packaged-Integration zu kombinieren.

Die Bandbreitendichte skaliert auf mehr als 8 Terabit pro Sekunde und Millimeter – etwa das Achtfache von CWDM CPO – und eine einzelne Glasfaser kann bis zu 1.600 Gbit/s übertragen. Im Vergleich zu herkömmlichen steckbaren Geräten ermöglicht DWDM CPO eine sechsfache Reduzierung des Stromverbrauchs.

Der Haken ist, dass DWDM-CPO etwas erfordert, was die Photonik-Industrie noch nie erfolgreich in großen Mengen hergestellt hat: eine Einzelchip-Laserquelle mit mehreren Wellenlängen, die direkt auf einem Standard-Silizium-Photonik-Wafer hergestellt werden kann.

Kompromisse in der Siliziumphotonik

Siliziumphotonik ist eine elegante Idee mit hartnäckigen Einschränkungen. Silizium ist ein hervorragendes Medium zum Leiten und Modulieren von Licht, kann es jedoch nicht effizient erzeugen. Laser, die Lichtquellen im Herzen jeder optischen Verbindung, werden traditionell aus III-V-Halbleitermaterialien – Verbindungen wie Indiumphosphid – hergestellt, die chemisch und strukturell mit Standard-Siliziumherstellungsprozessen nicht kompatibel sind.

Die herkömmliche Problemumgehung besteht darin, den Laser separat zu bauen und ihn am photonischen Siliziumchip zu befestigen, entweder durch Bonden eines diskreten Chips oder durch Anschließen eines externen Moduls. Das funktioniert, aber es führt wieder zu den Integrationsnachteilen, die CPO eigentlich beseitigen sollte: Zusätzliche Schnittstellen bedeuten mehr Verluste, mehr Leistung, mehr Fehlermodi und dramatisch höhere Volumenkosten.

Mit Sitz in Grenoble Szintilphotonik wurde in Frankreich gegründet, um dieses Integrationsproblem von Grund auf zu lösen. Die Kerninnovation des Unternehmens ist der SHIP-Prozess – Scintil Heterogeneous Integrated Photonics – eine Fertigungstechnik auf Waferebene, die es ermöglicht, III-V-Lasermaterial direkt in eine Standard-Silizium-Photonikplattform zu integrieren.

Ein eleganter Ansatz

Der Prozess ist in seiner Herangehensweise elegant. Scintil beginnt mit einem standardmäßigen photonischen Siliziumwafer, der die passiven und aktiven Komponenten – Wellenleiter, Modulatoren, Fotodetektoren – enthält und mit herkömmlichen CMOS-kompatiblen Prozessen hergestellt wird. Das ursprüngliche Silizium-auf-Isolator-Substrat wird dann durch einen Griffaustausch entfernt, wodurch die vergrabene Oxidschicht freigelegt wird.

Unstrukturierte III-V-Halbleiterchips werden genau dort, wo sich die Laser befinden, auf diese Oberfläche geklebt. Entscheidend ist, dass das III-V-Material dann mithilfe der Photolithographie auf Waferebene strukturiert wird – dem gleichen Herstellungsschritt, der die Laserwellenlängen definiert – was Scintil eine außergewöhnliche Präzision bei der Wellenlängensteuerung verleiht, die eine diskrete Baugruppe nicht erreichen kann.

Das Ergebnis ist ein monolithisch integrierter Chip, bei dem Laser, Wellenleiter, Modulatoren und Detektoren auf einem einzigen Stück Silizium koexistieren und in einem einzigen Fertigungsablauf hergestellt werden.

Scintils LEAF-Licht

Scintils erstes kommerzielles Produkt, das LEAF-Lichtist die weltweit erste Einzelchip-DWDM-Laserquelle, die für gemeinsam verpackte Optik im AI-Maßstab entwickelt wurde. Es unterstützt Konfigurationen von 8 oder 16 Wellenlängen auf einem einzigen Chip mit einer Frequenzabstandsgenauigkeit von ±10 GHz – der engsten in der Branche. Jeder Wellenlängenträger liefert bis zu 20 Milliwatt optische Leistung, mit einem Steckdosenwirkungsgrad von etwa 20 % bei Betriebstemperatur.

LEAF Light ist eine Einzelchip-DWDM-Laserquelle, die für gemeinsam verpackte Optiken im AI-Maßstab entwickelt wurde.

LEAF Light ist für Rechenzentrumsbetreiber von entscheidender Bedeutung und eliminiert die Fehlermodi, die am häufigsten mit Hochgeschwindigkeitslasern in Verbindung gebracht werden. Durch den Wegfall der Notwendigkeit von Antireflexionsbeschichtungen und die Vermeidung eines Stromflusses durch die Gitterstruktur erreicht die Architektur einen stabilen Betrieb ohne Modensprünge. Diese Zuverlässigkeitseigenschaft ist im Maßstab moderner KI-Infrastruktur von enormer Bedeutung, da eine einzelne ausgefallene optische Komponente die Leistung eines gesamten GPU-Clusters beeinträchtigen kann.

Die Marktchancen sind erheblich. Scintil schätzt den wartungsfähigen Markt für LEAF Light im Jahr 2030 auf etwa 4,9 Milliarden US-Dollar, basierend auf einem prognostizierten XPU-Liefervolumen von 31 Millionen Einheiten bis zum Ende des Jahrzehnts und einer durchschnittlichen Anschlussrate von zwei DWDM-Lichtquellen pro Beschleuniger.

Finanzsignale

Im September 2025, Scintil hat eine Finanzierungsrunde der Serie B abgeschlossen 58 Millionen US-Dollar einsammeln – Teil einer Gesamtkapitalisierung von 85 Millionen US-Dollar. Die Runde wurde von Yotta und Nokia Growth Partners gemeinsam geleitet, unter Beteiligung von Nvidia, und umfasste eine 100-prozentige Reinvestition durch bestehende Geldgeber, darunter Bpifrance, Supernova Invest, Bosch Venture Capital, Applied Ventures und ITIC-Taiwan. Die Runde war deutlich überzeichnet.

Scintils A-Series-B-Investitionsrunde, angeführt von Yotta Capital Partners und NGP Capital, beinhaltete eine bedeutende Beteiligung von Nvidia.

Nvidias Beteiligung ist mehr als ein finanzielles Signal. Dies zeigt, dass der weltweit führende GPU-Hersteller – dessen hochskalierbare Verbindungsstruktur das Herzstück jedes großen Aufbaus einer KI-Infrastruktur ist – die heterogene integrierte Photonik als glaubwürdigen Weg nach vorn ansieht.

Der Produktionsplan von Scintil sieht die Einführung und Pilotproduktion des LEAF Light-Produkts in diesem Jahr im Jahr 2026 vor. Die Auslieferung an Kunden im Early Access beginnt im selben Jahr und die Massenproduktion läuft bis 2027 an. Das Unternehmen verfügt über eine hochvolumige Fertigungspartnerschaft mit Tower Semiconductor, einem der führenden Silizium-Photonik-Gießereien, die die erforderliche Fertigungskapazität für eine Skalierung auf über 100 Millionen Einheiten bereitstellt.

Nicht wenn, sondern wann

Die Physik ist klar. Kupfer lässt sich nicht auf die Bandbreitendichten skalieren, die die KI-Infrastruktur erfordert. Der Übergang zu optischen Verbindungen ist nicht länger eine Frage des Ob – es ist eine Frage der Architektur, zu welchen Kosten und von wem. Scintil geht davon aus, dass die Antwort mit einem einzigen Chip, sechzehn Wellenlängen und einem Herstellungsprozess beginnt, der das Licht schließlich in Silizium heimisch macht.

Alle verwendeten Bilder mit freundlicher Genehmigung Szintilsofern nicht anders angegeben.