Forschung an ultra-schnellem Ethernet verdoppelt Internetgeschwindigkeit auf 100 Gb/Sekunde

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San Francisco, U.S.A., und Zürich 21. Februar 2013—Wissenschaftler von IBM Research – Zürich (NYSE: IBM) und der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) veröffentlichen einen wichtigen Technologiedurchbruch im Bereich der Signalverarbeitung. Der neu entwickelte Analog-Digital-Wandler kann dazu beitragen, bei hoher Energieeffizienz die Internetgeschwindigkeit auf 100 Gigabits pro Sekunde (Gb/s) zu steigern und damit die aktuell auf dem Markt erhältliche Geschwindigkeit zu verdoppeln. Mit bis zu einer Milliarde Analog-Digital-Umwandlungen pro Sekunde ermöglicht die Neuentwicklung eine schnellere Datenübertragungsrate für verschiedene Endgeräten angefangen von Supercomputern bis hin zu Smartphones. Die Forschungsergebnisse wurden am 20. Februar auf der International Solid-State Circuit Conference (ISSCC) in San Francisco, U.S.A., vorgestellt.

Die jährliche Wachstumsrate von strukturierten und unstrukturierten Daten liegt bei 60%. Ein großer Anteil dieser Daten stammt aus unserer Umwelt, zum Beispiel als visuelle und akustische Signale. All diese Daten werden als analoge Signale empfangen und müssen für die Weiterverarbeitung im Computer in digitale (Nullen und Einsen) umgewandelt werden. Dies geschieht mittels eines Analog-Digital-Wandlers (analog to digital converter oder ADC), der die richtige Kombination aus Nullen und Einsen generiert und damit das Eingangssignal in digitale Daten wandelt. Das Geräusch eines Autos auf einer Autobahn könnte zum Beispiel wie „00100110001100100“* aussehen.

Mit dem rapiden Wachstum von Big Data und dem Internet of Things werden energiesparende und schnelle Analog-Digital-Wandler immer wichtiger, um die Flut an analogen Signalen zur Weiterverarbeitung in Logik-Chips zu konvertieren. IBM-Wissenschaftler begannen daher bereits vor einigen Jahren mit der Entwicklung von energieeffizienteren ADCs.

„Die meisten der derzeit marktüblichen ADCs wurden nicht dafür entwickelt, die riesigen Big Data-Anwendungen zu verarbeiten, mit denen wir heute umgehen müssen — es ist etwa so, als würde man versuchen, Wasser aus einem Feuerwehrschlauch durch einen Strohhalm zu leiten,“ erklärt Dr. Martin Schmatz, Manager des Systems Departments am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon. „Dies ist IBMs erster Versuch, einen neuen ADC zu entwickeln, der die Vorteile eines neuen CMOS-Prozesses nutzt. Daraus resultierte nicht nur einer der energieeffizientesten ADCs seiner Klasse. Er bietet auch die Möglichkeit, riesige Rechenleistung für die Signalanalyse auf dem gleichen Chip mit dem ADC zu integrieren.“

Das Design des Analog-Digital-Wandlers wurde bei IBM Research in Rüschlikon in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Microelectronic Systems Laboratory der EPFL entwickelt. „Das neue ADC-Design hat in Hinblick auf Geschwindigkeit, Stromverbrauch und Chipfläche grosse Vorteile gegenüber vergleichbaren, früheren ADCs“ sagt Professor Yusuf Leblebici, Direktor des Microelectronic Systems Laboratory. „Dies ist ein perfektes Beispiel für eine erfolgreiche Zusammenarbeit von Industrie und Universität, aus der ein Ergebnis von Weltklasse hervorgegangen ist.“

Der Prototyp des ADCs wurde in einem 32 Nanometer silicon-on-insulator CMOS-Prozess auf einer Fläche von nur 22×70 µm² hergestellt. Er generiert eine Milliarde Analog-Digital-Umwandlungen pro Sekunde und läuft bei einer Spannung von nur 1V und einer Leistungsaufnahme von 3.1 mW — dies ist schätzungsweise 30-mal weniger als ein Mobiltelefon im Ruhezustand verbraucht. Insbesondere erlaubt die neue Technologie die Parallelschaltung einer grossen Anzahl von ADCs, was die grosse Geschwindigkeitssteigerung ermöglicht. Dank seiner Geschwindigkeit, Effizienz und einer Auflösung von 8 Bits kann der ADC in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden: von Supercomputern und Datenzentren bis hin zu Unterhaltungselektronik, Kabelmodems, Set-Top-Boxen und mobilen Geräten. Die meisten Smartphones haben beispielsweise mehr als 10 ADCs, unter anderem für Temperatur-, Touchscreen- und Bewegungssensoren.

IBM-Wissenschaftler ziehen auch in Betracht, den neu entwickelten ADC für das DOME-Projekt und die Konvertierung der analogen Signale des Urknalls im Weltall zu nutzen. Das Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen ASTRON, dem Netherlands Institute for Radio Astronomy und IBM. Ziel dieses Projekts ist eine grundlegende IT-Roadmap für das Square Kilometer Array (SKA), einem internationalem Projekt zur Entwicklung des weltweit größten und empfindlichsten Radioteleskops.

Die analogen Daten, die das SKA aus dem Weltall sammeln wird, werden voraussichtlich dem 10-fachen des heutigen, weltweiten Internetverkehrs entsprechen. Damit ist der ADC-Prototyp von IBM ein idealer Kandidat, um mit sehr geringem Stromverbrauch die analogen Signale in digitale Daten zu wandeln — eine kritische Anforderung wenn man bedenkt, dass die Antennen des SKA über 3000 km weit verteilt sein werden.

Der Ananlog-Digital-Wandler könnte bereits 2014 Marktreife erlangen.

Das wissenschaftliche Paper trägt den Namen „A 3.1 mW 8b 1.2 GS/s Single-Channel Asynchronous SAR ADC with Alternate Comparators for Enhanced Speed in 32 nm Digital SOI CMOS“ von Lukas Kull, Thomas Toifl, Martin Schmatz, Pier Andrea Francese, Christian Menolfi, Matthias Braendli, Marcel Kossel, Thomas Morf, Toke Meyer Andersen und Yusuf Leblebici.

*Die wirkliche Umwandlung von Autobahngeräuschen in Binärcode würde mehrere Seiten füllen.