Photonik neu gedacht: Disruptive Rechenparadigmen für die nächste Generation der KI

Photonische und neuromorphe Systeme versprechen einen Paradigmenwechsel in der Datenverarbeitung. Im Projekt PROMETHEUS entstehen Rechenparadigmen, die klassische Elektronik ergänzen – mit entscheidender Rolle für Integration und Packaging.

Die klassische von-Neumann-Architektur stößt zunehmend an physikalische und energetische Grenzen. Um dem stetig wachsenden Bedarf an Datenverarbeitung gerecht zu werden, werden neue, vom menschlichen Gehirn und der Natur inspirierte Rechenansätze erforscht – wie beispielsweise Liquid State Machines oder spikende neuronale Netze. Diese Konzepte existieren bereits seit Jahrzehnten. Aufgrund fehlender geeigneter Hardware waren sie bisher jedoch nicht umsetzbar.

Projekte wie PROMETHEUS zeigen, wie photonische Hardwarearchitekturen die Grundlage für energieeffiziente Hochleistungsrechner schaffen können. Im Interview erläutert Dr. Michail Symeonidis die Besonderheiten von neuromorphen und photonischen Hardware-Plattformen und die Rolle von Electronic Packaging und Integration.

»PROMETHEUS« steht für PROgraMmable integrated photonic nEuromorphic and quanTum networks for High-speed imaging, communications and sEcUrity applicationS. Das Projekt verfolgt das Ziel, neuromorphe und Quanten-Technik auf einer photonisch integrierten Hardware-Plattform zu vereinen. Die Plattform nutzt rekonfigurierbare Silizium-Wellenleiter und energieeffiziente BaTiO3-Phasenschieber im Gigahertz-Bereich. Ultraschnelle, mehrteilige Laser (»Neuronen«) und elektrooptisches Packaging bilden die Basis für eine eigenständige photonische Quanten- und neuromorphe Plattform. Sie soll anspruchsvolle Einsatzfelder ermöglichen – von ultraschneller Bildverarbeitung in der Durchflusszytometrie bis zur Quantenschlüsselerzeugung und -verteilung.

PROMETHEUS: Schematische Darstellung des programmierbaren photonischen Gitters – ein sogenanntes »Field Programmable Photonic Gate Array« (FPPGA)

Auf welchen Rechenansätzen basiert die Photonik-Plattform?

Dr. Michail Symeonidis: Der photonische Prozessor nutzt Licht als Rechenmedium und dynamische, neuromorphe Rechenkonzepte wie Liquid State Machine. Um Berechnungen parallel, energieeffizient und in Echtzeit auszuführen, werden Signale analog und digital verarbeitet.

Information kann sowohl analog (kontinuierlich) als auch digital (in diskreten Werten) verarbeitet werden. Analoges Rechnen war in der Vergangenheit aufgrund von Störungen und ungenauer Hardware zu fehleranfällig. Aus diesem Grund haben sich digitale Systeme durchgesetzt.

Neue Technologien ermöglichen heute die Rückkehr zum analogen Rechnen. Um die Vorteile beider Welten zu nutzen, kombinieren moderne Systeme beide Rechenansätze: Die Zukunft ist nicht analog oder digital – sondern beides kombiniert.

Was unterscheidet die Photonik-Plattform PROMETHEUS von klassischen elektronischen bzw. rein photonischen Systemen?

Dr. Michail Symeonidis: PROMETHEUS vereint zwei unterschiedliche Rechentechnologien auf einem Chip: ein photonisches neuronales Netz zur schnellen, energieeffizienten KI-Berechnung und eine Quantenschaltung für spezielle, besonders komplexe Aufgaben.

Durch die flexible Verschaltung optischer Bauelemente wie Siliziumnitrid-Wellenleiter und Interferometer lässt sich der Chip für verschiedenste Anwendungen konfigurieren. Beide Technologien sind in die Hardware-Plattform integriert und arbeiten parallel – wie zwei Autobahnen für unterschiedliche Rechenaufgaben. Separate Fertigungsprozesse sind somit nicht erforderlich.Zentral ist dabei ein Paradigmenwechsel:

3D modeling, lighting, rendering, video & audio editing: Stavros Deligiannidis, PhD Script, scientific supervision: Prof. Adonis Bogris Prof. Charis Mesaritakis RESEARCH UNIT ON NEUROMORPHIC COMPUTING AND PHOTONICS (RNCP) http://rncp.eu/ Music by: bensound.com License code: NCOEOL1NTSVVI3DC

Warum steigt das Interesse an neuromorphen und photonischen Systemen?

Dr. Michail Symeonidis: Die klassische Elektronik stößt aufgrund physikalischer Grenzen, steigender Wärmeentwicklung und hoher Kosten zunehmend an ihre Leistungsgrenzen. Das Mooresche Gesetz verliert an Dynamik. Daher werden alternative Technologien wie neuromorphe und photonische Systeme erforscht, die eine energieeffiziente und parallele Datenverarbeitung ermöglichen.

Viele Funktionen werden bereits heute durch optische Technologien ersetzt. Wir erleben derzeit einen Übergang von elektronischer zu photonischer Informationsverarbeitung – oft beschrieben als ein »Zeitalter des Lichts«. Die UNESCO hat diesen Wandel 2018 mit dem »Internationalen Tag des Lichts« symbolisch aufgegriffen.

Welche Chancen eröffnet die Kombination von neuromorpher und quantenbasierter Photonik?

Dr. Michail Symeonidis: Photonik eignet sich besonders gut für Quanten- und neuromorphe Systeme, weil die physikalischen Eigenschaften des Lichts diese Rechenprinzipien direkt unterstützen – besser als klassische Elektronik.

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften – insbesondere hoher Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Parallelität – gilt Photonik als eine der entscheidenden Schlüsseltechnologien für zukünftige Rechnerarchitekturen.

Welche Anwendungen stehen im Fokus des Projekts?

Dr. Michail Symeonidis: Die PROMETHEUS-Plattform ist für verschiedene Anwendungsbereiche konzipiert: Kommunikation, Sicherheit und ultraschnelle Bildverarbeitung. Die Durchflusszytometrie, eine medizinische Anwendung, zielt darauf ab, zu erkennen, ob und welche Partikel wie Proteine vorhanden sind.

In Kommunikationsanwendungen können mittels lernbasierter Methoden sowohl lineare als auch nichtlineare Signalverzerrungen in Echtzeit direkt auf dem Chip korrigiert werden. Der Chip ist sehr kompakt und kann direkt in Geräte integriert werden. Die Rechenleistung für High-Performance Computing verlagert sich damit vom Rechenzentrum an den Rand des Systems (Edge Computing).

Sie erwähnten auch Sicherheitsanwendungen – warum eignen sich photonische Chips dafür?

Dr. Michail Symeonidis: Jeder Chip ist einzigartig – und genau das lässt sich für Sicherheitsanwendungen nutzen. Durch unvermeidbare Fertigungstoleranzen entsteht ein individueller physikalischer Fingerabdruck. Diese Physically Unclonable Functions (PUFs) können gezielt für Hardware-Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden.

Hardware-Fingerabdrücke können sowohl elektrisch als auch optisch erzeugt werden. Während klassische PUFs auf elektrischen Eigenschaften beruhen, eröffnen photonische Chips durch ihre höhere Sensitivität neue Möglichkeiten für besonders komplexe, nicht klonbare optische Fingerabdrücke – und damit für eine neue Generation hardwarebasierter Sicherheit.

Welche Rolle spielt das Fraunhofer IZM im Projekt?

Dr. Michail Symeonidis: Der beste Chip der Welt ist wertlos, wenn er nicht integriert und angeschlossen werden kann. Genau an dieser Stelle setzt die Arbeit des Fraunhofer IZM an. Unsere Aufgabe ist es, neue Technologien zuverlässig zu integrieren und für Anwendungen nutzbar zu machen.

Am Fraunhofer IZM entwickeln wir nicht nur einzelne Technologien – wir schaffen die Integrationskompetenz für zukünftige photonische Plattformen. Kurz gesagt:

Warum ist das Packaging entscheidend für den Erfolg der Plattform?

Bei neuen, noch nicht standardisierten Technologien sind hierfür umfangreiche Entwicklungsarbeiten erforderlich.

In dem PROMETHEUS-Projekt wird Licht auf einem Chip gesteuert, indem der Brechungsindex lokal durch Erwärmung verändert wird. Diese Methode stellt spezifische Anforderungen an die elektrische Ansteuerung und das Packaging und ist einer von mehreren möglichen technologischen Ansätzen.

Warum wurde der Flip-Chip-Ansatz gewählt?

Dr. Michail Symeonidis: Der Flip-Chip-Ansatz ermöglicht eine dichtere Integration und hohe elektrische Performance. Durch die direkten und sehr kurzen Verbindungen zwischen Chip und Substrat können höhere Betriebsfrequenzen erreicht werden. Zudem eignet sich Flip-Chip besonders gut für 2,5D- und 3D-Advanced-Packaging-Konzepte und ist ein Schlüsselverfahren für photonische und heterogene Integration.

Wo steht das Projekt aktuell?

Dr. Michail Symeonidis: Derzeit liegt das Projekt hinter dem Zeitplan. Die Chips konnten erfolgreich entworfen und integriert und eine Systemplattform aufgebaut werden. Die Herausforderung besteht in der skalierbaren Ansteuerung der Chips. Bis zu 500 parallel arbeitende Kanäle müssen mit Bandbreiten im Gigahertz-Bereich betrieben werden – eine Kombination, für die bislang keine standardisierte Lösung existiert.

Was sind die nächsten Schritte?

Dr. Michail Symeonidis: Als nächster Schritt steht die Demonstration der Flip-Chip-Technologie an. Dazu wird ein Silizium-Interposer als zentrale Verbindungsebene entwickelt, auf der die Signalführung realisiert wird. Das Packaging übernimmt dabei eine entscheidende Rolle: Fehler bzw. Einschränkungen im elektrischen Design des photonischen Chips können durch geeignete Interposer- und Hochfrequenz-Routinglösungen kompensiert werden.

Der photonische Chip liefert die zentrale Funktion – er ist gewissermaßen das Herzstück. Das Packaging sorgt für die funktionale Integration, die notwendige Infrastruktur – die Adern des Systems. Der Interposer übernimmt dabei die Rolle eines hochpräzisen Signalnetzwerks, das die elektrischen Designanforderungen erfüllt und die Nutzung der Technologie überhaupt erst ermöglicht.

Welche Herausforderungen gilt es zu beachten?

Dr. Michail Symeonidis: Packaging ist längst kein nachgelagerter Prozess mehr, sondern integraler Bestandteil des Systemdesigns. Nur durch einen frühzeitigen Co-Design-Ansatz lassen sich Leistungsfähigkeit und Integrationsfähigkeit moderner Chips sicherstellen. Wird Packaging erst nachträglich berücksichtigt, drohen erhebliche technische Risiken und hohe Kosten.

Mit den deutlich höheren Präzisionsanforderungen in der Photonik im Submikrometerbereich werden Design, Packaging und Standardisierung immer stärker miteinander verflochten. Nur ein ganzheitlicher Ansatz im Sinne einer System Technology Co-Optimization (STCO) kann langfristig die Kosten und Komplexität beherrschen.

Welche Faktoren beeinflussen die Weiterentwicklung von Packaging-Technologien?

Dr. Michail Symeonidis: Innovation entsteht heute nicht durch Einzelkämpfer und ist längst nicht nur eine Frage der Technologie, sondern das Ergebnis vernetzter Zusammenarbeit. Dabei spielen Faktoren wie Lieferketten, Ressourcenverfügbarkeit und Abstimmung zwischen den Projektpartnern eine entscheidende Rolle.

Moderne Technologieentwicklung ist Teamarbeit: Keine Institution kann die gesamte Komplexität allein abdecken. Der Schlüssel liegt nicht darin, alles zu beherrschen, sondern darin, Expertise zu bündeln und Zusammenarbeit aktiv zu gestalten. Umso mehr würde ich mir wünschen, die im Projekt nicht umgesetzten Technologien in einem Folgeprojekt weiterzuentwickeln.

Vielen Dank für das Gespräch!

PROMETHEUS – PROgraMmable integrated photonic nEuromorphic and quanTum networks for High-speed imaging, communications and sEcUrity applicationS

Weiterführende Literatur

• H. Liu, K. Sozos, I. Teofilovic, S. Wantee, K. R. H. Bottrill, S. Malhouitre, S. Garcia et al., »200-Gbaud single-wavelength direct-detection transmission over 75 km C-band SSMF using a PIC-based recurrent spectrum slicer,« in Proc. 2026 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2026, pp. 1–3.
• K. Sozos, F. Da Ros, G. Sarantoglou, C. Mesaritakis und A. Bogris, »Recurrent optical spectrum slicers as multi-λ processors for WDM optical equalization of IM/DD channels, « in Proc. 2025 European Conference on Optical Communications (ECOC), Sep. 2025, pp. 1–4.
• G. Sarantoglou, F. Da Ros, K. Sozos, A. Bogris und C. Mesaritakis, »Reconfigurable integrated photonic chips as dual-purpose neuromorphic accelerators and physical unclonable functions,« Opt. Lett., Bd. 50, Nr. 15, S. 4842–4845, 2025.
• Y. Yue, M. Gouda, S. Sunada und P. Bienstman, »Hyper-dimensional computing for enhanced label-free particle analysis in a flow-based optical detection system,« Sci. Rep., 2026.
• R. Van Assche, S. Masaad, E. Gooskens, S. Sackesyn, J. Van Kerrebrouck, X. Yin und P. Bienstman, »Real-time all-optical signal equalisation with silicon photonic recurrent neural networks,« in Proc. 2025 European Conference on Optical Communications (ECOC), Sep. 2025, pp. 1–4.
• M. J. Filipovich, F. Horst und B. J. Offrein, »Integrated photonic lattice filter for accelerating deep convolutional networks,« in Proc. NeurIPS 2024 Workshop on Machine Learning with New Compute Paradigms, 2024.
• F. Eltes, »BTO-enhanced silicon photonics for next-generation transceivers,« in Proc. 50th European Conference on Optical Communications (ECOC), Sep. 2024, S. 594–595.
• C. Catalá-Lahoz, J. R. Rausell-Campo, D. Pérez-López et al., »High-speed non-volatile barium titanate field-programmable photonic gate array,« Nat. Photon., 2026, doi:10.1038/s41566-026-01934-y.