Am 30. April 2026 verkündete das Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn bedeutende Fortschritte im Projekt „PACE“, das sich mit ultraschneller und energieeffizienter Informationsverarbeitung beschäftigt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben die bislang weltweit präziseste und schnellste „Abtasthalteschaltung“ entwickelt. Diese Neuerung, gefertigt auf Basis von Silizium und Germanium, stellt einen Rekord in der Kombination von Abtastrate und Bandbreite auf.
Die Entwicklung bietet zahlreiche Vorteile, darunter schnellere Schaltgeschwindigkeiten, einen geringeren Energieverbrauch sowie eine verbesserte Leistung bei hohen Frequenzen. Diese technischen Errungenschaften wurden durch die Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit einer Förderung von 390.000 Euro im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 2111 ermöglicht.
Technologische Fortschritte und Anwendungen
Ein zentrales Element des Projekts sind die siliziumbasierten Analog-Digital-Wandler (ADCs), die analoge Signale in digitale Daten umwandeln. Diese Wandler sind in der Lage, mehrere Milliarden Werte pro Sekunde zu erfassen. Das System, das im Projekt „PACE“ entwickelt wurde, kann Daten mit Geschwindigkeiten von über 500 Gigabit pro Sekunde in einem Kanal verarbeiten. In einem Mehrkanalsystem könnten sogar über 100 Terabit pro Sekunde erreicht werden.
Der neue Chip optimiert nicht nur die Bandbreite und Datenrate, sondern bildet auch die Grundlage für weitreichende Technologien wie 5G und 6G, autonome Fahrzeuge, High-Speed-Sensoren sowie digitale Bildgebung. Transceiver, die Funktionen zum Senden und Empfangen digitaler Daten kombinieren, sind ebenfalls wesentliche Bestandteile dieser Technologie.
Die Rolle der Abtasthalteschaltung
Abtasthalteschaltungen sind entscheidende Komponenten von Analog-Digital-Umsetzern, die in Kommunikationssystemen, der Sensorik sowie in der Messtechnik Anwendung finden. Eine hohe Signalbandbreite und Abtastrate sind ausschlaggebend für eine zügige Datenverarbeitung. Die Verbesserung der Bandbreite fördert nicht nur die Übertragungsgeschwindigkeiten, sondern steigert auch die Gesamtleistung von Servern und Datencentern. Diese Ergebnisse sind insbesondere für Künstliche Intelligenz von Bedeutung, die in der Lage sein muss, in Echtzeit auf große Datensätze zuzugreifen.
Die Herstellung von Silizium-Germanium-Chips bedarf jedoch einer präzisen Entwicklung. Es bestehen Herausforderungen in der Messbarkeit und Genauigkeit bei extrem hohen Frequenzen, was durch aufwendige elektromagnetische 3D-Simulationen, unterstützt durch das Paderborn Center for Parallel Computing (PC2), überwunden werden muss. Projektpartner sind die Universität Paderborn, die RWTH Aachen, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY.
Zukünftige Entwicklungen
Die Entwicklungen im Bereich der ADC-Technologie sind vielversprechend. Entsprechende Fortschritte könnten zu höheren Auflösungen und Abtastraten bei verbesserter Energieeffizienz führen. Der Umwandlungsprozess eines ADCs umfasst die Abtastung des analogen Eingangssignals durch eine Sample-and-Hold-Schaltung, die Stabilität des Signals für eine präzise Messung sichert und schließlich die Umwandlung in eine digitale Darstellung erfolgt.
Der zukunftsweisende Ansatz des Projekts „PACE“ sowie die Technologien, die durch die Verwendung von ADCs ermöglicht werden, werden in einem Open-Access-Buch vorgestellt, in dem ein spezielles Kapitel über die Errungenschaften des Projekts enthalten ist. Dies wird sicher einige der weitreichenden Anwendungen in der digitalen Signalverarbeitung, medizinischen Bildgebung und Industrieautomatisierung inspirieren.