Photonik statt Kupfer: Rechenzentren setzen auf Glasfaser-Technologie

Die Rechenzentrumsbranche steht vor einem grundlegenden Wandel: Kupferkabel, die bislang das Rückgrat der Datenübertragung bilden, könnten zunehmend durch Glasfasertechnologie ersetzt werden. „Ich glaube, wir stehen am Ende der Kupferära“, sagt Chris Sharp, Chief Technology Officer beim Rechenzentrum-Betreiber Digital Reality. Der Grund ist nicht etwa eine Kupferknappheit, sondern der enorme Energieverbrauch der Anlagen.

Eine typische Anlage mit einer Kapazität von rund 100 Megawatt verbaut etwa 400 Tonnen Kupfer. Der Großteil entfällt auf die elektrische Infrastruktur und Kühlsysteme. Bis zu 70 Tonnen stecken in den Servern selbst, weitere 20 Tonnen in der Netzwerkverkabelung. Genau hier setzt die neue Technologie an: „Die Kabel zwischen diesen GPUs, CPUs und all dieser Rechenleistung sind es, die uns ausbremsen“, so Sharp.

Der Wechsel zu Lichtgeschwindigkeit

Daten werden bislang in Form von Elektronen durch Kupferkabel transportiert. Doch viele Experten setzen auf Photonen – also Lichtteilchen – die über Glasfasern übertragen werden. Diese Technologie, Photonik genannt, ist aus der Fernkommunikation seit Jahrzehnten bekannt. Nun soll sie auch innerhalb der Rechenzentren Einzug halten. Die Herausforderung: Optische Komponenten müssen direkt mit elektrischen verbunden werden, teilweise direkt auf den Computerchips.

Der große Vorteil der Photonik liegt auf der Hand: Licht erzeugt im Gegensatz zu Elektrizität keine Wärme. „Man kann so viel Energie sparen“, sagt Callum Littlejohns, stellvertretender Direktor der Silizium-Photonik-Fabrik Cornerstone Labs. Weniger Hitze bedeutet weniger Kühlungsaufwand – ein entscheidender Faktor in einer Branche, die für ihren hohen Stromverbrauch bekannt ist. Zudem können mehrere Datenströme über denselben Kanal übertragen werden, was die Kapazität erhöht.

Vom Labor in die Praxis

Peter O’Brien, Leiter der Forschung für Photonik-Gehäuse und Systemintegration am irischen Tyndall Research Institute, erklärt, dass die Technologie nun bereit sei, den Sprung vom Labor in die breite Anwendung zu wagen. „Was gerade mit Optik und Photonik passiert, ist gewissermaßen ein Reset“, sagt er. Unterstützung kommt vom KI-Chipriesen Nvidia, der seine Unterstützung für die Technologie zugesagt hat.

Der Wechsel ist jedoch kein einfacher Tausch. Unterschiedliche Ingenieurstraditionen und Lieferketten müssen zusammengeführt werden. „Wir sind darin wirklich gut geworden, die Kosten auf der elektrischen Seite zu senken: wie man es konzipiert, wie man es herstellt, wie man es testet und wie man es einsetzt“, sagt Andrew Wheeler, Senior Vice President bei Hewlett Packard Labs. Die Branche arbeite noch daran, die Kosten zu senken.

Herausforderungen bei der Produktion

Ein Teil des Problems: Die Herstellungsschritte sind weltweit verteilt. Die Endmontage erfolgt in sogenannten Packaging-Häusern, die vor allem in Taiwan konzentriert sind. Zudem bleiben technische Hürden bestehen. Optische Komponenten sind zwar kühler, aber andere Teile eines Rechenzentrums erzeugen weiterhin Hitze. Und optische Komponenten reagieren empfindlich auf Wärme, erklärt Wheeler. Dies wirft Zuverlässigkeitsbedenken auf, sofern nicht strikte thermische Grenzwerte eingehalten werden.

Auch die Installation und Wartung erfordert neue Fähigkeiten. „Man kann bei Glasfasern keine scharfen Kurven nehmen“, betont Sharp. Netzwerkdesigner, Field-Support-Ingenieure und Installateure müssten alle neue Fertigkeiten erlernen.

Die Zukunft der optischen Vernetzung

Noch weiter geht Ofer Shapiro, CEO des optischen Unternehmens Resolight.ai. Er schlägt vor, traditionelle elektronische Netzwerkswitches durch vollständig optische Geräte zu ersetzen. Seiner Argumentation nach ergibt es wenig Sinn, Daten ständig von Photonen in Elektronen und zurück umzuwandeln. Optische Interconnects zwischen Chips und Netzwerkelementen würden bedeuten, dass Daten im optischen Bereich bleiben – und noch mehr Energie gespart werde.

Kurzfristig arbeiten die Unternehmen jedoch daran, die Photonik-Produktion hochzufahren. Littlejohns von Cornerstone Labs verweist darauf, dass ältere Silizium-Fertigungsanlagen für die Photonik-Produktion zweckentfremdet werden können. Eines der Fertigungswerkzeuge von Cornerstone stammt von einer ehemaligen Intel-Produktionslinie, die einst für Pentium-4-Chips genutzt wurde. „Wir wissen, dass wir es in großem Maßstab herstellen können, deshalb ist es eine so interessante Technologie, weil es viele Anwendungen stützen kann“, sagt Littlejohns.

Die Photonik könnte Rechenzentren zwar nicht unbedingt beliebter machen, aber deutlich energieeffizienter gestalten – ein entscheidender Vorteil in Zeiten steigender Strompreise und wachsender KI-Rechenlasten.