China erzielt Durchbruch bei optischer Übertragung mit 2,5 Petabit pro Sekunde und läutet eine neue Ära KI-tauglicher Infrastruktur ein

Der Beginn der Petabit-Übertragung

Chinesische Forscher haben bisherige Grenzen der Datenübertragung gesprengt: Über eine einzelne Glasfaser gelang ihnen eine bidirektionale Echtzeitkommunikation mit 2,5 Petabit pro Sekunde. Der Durchbruch, den das Staatliche Schlüssellabor für optische Kommunikationstechnologien und -netze der China Information and Communication Technologies Group Corporation bekannt gab, bedeutet einen grundlegenden Wandel darin, wie die Menschheit Informationen über große Entfernungen überträgt. Damit rückt China an die Spitze der optischen Netzwerktechnologie der nächsten Generation – zu einem Zeitpunkt, an dem der weltweite Datenbedarf schneller wächst, als es die bestehende Infrastruktur bewältigen kann.

Um die Größenordnung dieser Leistung einzuordnen: 2,5 Petabit pro Sekunde entsprechen etwa 290.000 Gigabyte Daten, die jede Sekunde übertragen werden. Praktisch gesehen ließen sich mit dieser Kapazität innerhalb einer einzigen Sekunde 14.000 hochauflösende 4K-Filme herunterladen, die jeweils 20 Gigabyte Speicherplatz benötigen. Dieser Durchsatz bedeutet einen Sprung um eine Größenordnung gegenüber heutigen kommerziellen optischen Netzen und setzt neue Maßstäbe dafür, was physische Kommunikationsinfrastruktur leisten kann.

Yang Chao, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei CICT und an dem Projekt beteiligt, veranschaulichte die Bedeutung der Entwicklung mit einem einprägsamen Vergleich.

Früher bauten wir Autobahnen, jetzt ist es eher so, als würden wir ein dreidimensionales Verkehrsnetz errichten.

Der Durchbruch kommt zu einem entscheidenden Zeitpunkt, an dem der weltweite Datenverbrauch exponentiell wächst. Herkömmliche Einmoden-Glasfasersysteme, die seit Jahrzehnten das Rückgrat des Internets bilden, nähern sich ihren theoretischen Kapazitätsgrenzen. Gleichzeitig verlangen künstliche Intelligenz, das Training großer Sprachmodelle und riesige Rechenzentren eine bisher unerreichte Bandbreite. Das Timing deutet darauf hin, dass es sich nicht um eine bloße schrittweise Verbesserung handelt, sondern um einen notwendigen Entwicklungsschritt für die digitale Infrastruktur.

So funktioniert die 24-Kern-Architektur

Die grundlegende Innovation hinter diesem Rekordtempo besteht nicht einfach darin, bestehende Technologie zu beschleunigen, sondern die physische Struktur von Glasfasern neu zu denken. Herkömmliche Glasfasern funktionieren wie eine einspurige Straße, auf der Daten über einen Kanal übertragen werden. Das neue System nutzt dagegen eine Einmoden-Glasfaser mit 24 Kernen und schafft so 24 parallele Kanäle innerhalb eines einzigen Kabels, das nicht dicker ist als ein menschliches Haar.

Dieser als Raummultiplex bezeichnete Ansatz bedeutet einen Paradigmenwechsel in der optischen Technik. Herkömmliche Verfahren setzten auf Zeit- oder Wellenlängenmultiplex: Dabei wird mehr Datenvolumen in einen einzelnen Kanal gepresst, indem der zeitliche Ablauf oder die Lichtfarben variiert werden. Diese Methoden stoßen jedoch an grundlegende physikalische Grenzen, darunter nichtlineare optische Effekte und die Shannon-Kapazitätsgrenze.

Mit der 24-Kern-Faser haben die Forscher dagegen eine Art mehrspurige Autobahn für Photonen geschaffen. Jeder Kern funktioniert als unabhängiger Wellenleiter und transportiert Datenströme im Terabit-Bereich, während das Signal auch über extrem große Entfernungen intakt bleibt. Dem CICT-Team gelang der Nachweis einer bidirektionalen Übertragung: Daten fließen gleichzeitig in beide Richtungen durch alle 24 Kerne. Dadurch verdoppelt sich der praktische Durchsatz gegenüber unidirektionalen Systemen.

Die Datenexplosion durch künstliche Intelligenz

Dieser technologische Meilenstein kommt genau zu dem Zeitpunkt, an dem die globale digitale Infrastruktur mit ihrem bislang größten Kapazitätsengpass konfrontiert ist. Moderne Trainingscluster für künstliche Intelligenz und Rechenzentren für große Sprachmodelle erzeugen und verarbeiten Datenmengen, die vor gerade einmal fünf Jahren unvorstellbar waren. Aktuelle Prognosen legen nahe, dass optische Verbindungen mit Petabit-Kapazität innerhalb des nächsten Jahrzehnts in Forschungslaboren unverzichtbar werden und kurz darauf kommerziell eingesetzt werden dürften.

Forschungsarbeiten zu den Anforderungen an photonische Chips für Rechenzentren der nächsten Generation zeigen, warum der Durchbruch von CICT so dringend gebraucht wird. KI-Beschleuniger und Hochleistungsrechner benötigen optische Ein-/Ausgabechips, die Datenströme im Petabit-Bereich bewältigen können, damit die Prozessoren nicht auf Daten warten müssen. Technische Herausforderungen bei der Laserintegration, der Modulationsgeschwindigkeit und der Effizienz von Fotodetektoren haben bisherige Versuche, diese Geschwindigkeiten zu erreichen, gebremst.

Herkömmliche Einmoden-Glasfasersysteme, über die derzeit der Großteil des weltweiten Internetverkehrs läuft, nähern sich allmählich ihrer absoluten Kapazitätsgrenze. Ohne Innovationen wie Mehrkernfasern und fortschrittliche Multiplexverfahren droht die physische Infrastruktur, die Cloud Computing, Streamingdienste und neue KI-Anwendungen ermöglicht, in den kommenden Jahren unausweichlich überlastet zu werden.

Den Petabit-Engpass überwinden

Petabit-Übertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen, erfordert Lösungen für grundlegende technische Herausforderungen, an denen sich Forscher seit Jahren die Zähne ausbeißen. Jüngsten Studien zu den Anforderungen an photonische Chips für Rechenzentren der nächsten Generation zufolge braucht es für eine Kapazität von einem Petabit pro Sekunde Durchbrüche bei der Laserintegration, der Modulationsgeschwindigkeit, der Skalierung von Multiplexing und Demultiplexing, der Effizienz von Fotodetektoren und der Packungsdichte. Diese Herausforderungen verschärfen sich, wenn Rechenzentren für Trainingsläufe von KI-Modellen mit Billionen von Parametern skaliert werden. Selbst Verzögerungen im Mikrosekundenbereich bei der Datenübertragung können die Trainingszeit um Tage oder Wochen verlängern.

Das CICT-Team begegnete diesen Herausforderungen mit Innovationen bei der Mehrbandübertragung, bei der verschiedene Wellenlängenbereiche gleichzeitig genutzt werden, um das verfügbare Spektrum zu vervielfachen. Durch die Kombination von Raummultiplex, bei dem die 24 physischen Kerne zum Einsatz kommen, mit fortschrittlichen Wellenlängenverfahren schufen die Forscher einen zweidimensionalen Skalierungsansatz, der die Grenzen eindimensionaler Systeme umgeht. Diese hybride Strategie gilt als der praktischste Weg zu Netzen im Exabit-Bereich, die künftige Generationen benötigen werden.

Auch Fortschritte in der Materialwissenschaft spielten eine entscheidende Rolle. Bei der von Fiberhome Fujikura hergestellten 24-Kern-Faser musste das Brechungsindexprofil jedes Kerns präzise kontrolliert werden, um Übersprechen zwischen den Kanälen zu verhindern. Jede Signalübertragung zwischen den Kernen würde die Übertragungsqualität beeinträchtigen und das Konzept der mehrspurigen Datenautobahn über große Entfernungen unbrauchbar machen. Der erfolgreiche Nachweis zeigt, dass chinesische Hersteller die anspruchsvollen Fertigungstechniken für die kommerzielle Produktion dieser fortschrittlichen Fasern beherrschen.

Technischer Nachweis und Zusammenarbeit mit der Industrie

Die Leistung von CICT ist mehr als eine bloße Laborkuriosität. Sie belegt, dass sich Raummultiplex und Mehrbandübertragung unter realen Bedingungen technisch kombinieren lassen, und zeigt, dass Netze im Petabit-Bereich auch außerhalb kontrollierter Versuchsumgebungen zuverlässig funktionieren können. An der Forschungskooperation waren drei verschiedene Organisationen beteiligt: das Staatliche Schlüssellabor von CICT, das Pengcheng-Labor und die Fiberhome Fujikura Optic Technology Company. So kamen Grundlagenforschung, Rechenkapazitäten und Fertigungswissen zusammen.

Die Partnerschaft verbindet akademische Spitzenforschung mit dem kommerziellen Fertigungswissen, das über Jahrzehnte in der Glasfaserproduktion gesammelt wurde. Fiberhome Fujikura bringt praktische Erfahrung mit den Zieh-, Beschichtungs- und Verkabelungsverfahren ein, die für die industrielle Fertigung von 24-Kern-Fasern nötig sind. Das Pengcheng-Labor stellt die leistungsstarke Rechnerinfrastruktur bereit, die erforderlich ist, um Datenströme im Petabit-Bereich ohne Engpässe zu erzeugen und zu überprüfen. Der erfolgreiche Nachweis zeigt, dass sich diese Technologien aus theoretischen Fachpublikationen in einsetzbare Infrastruktur überführen lassen, die Telekommunikationsanbieter tatsächlich installieren und warten können.

Als eines der Kernunternehmen der optischen Kommunikationsbranche Chinas konzentriert sich CICT seit Jahren auf das, was die Branche die „drei Ultraparameter“ nennt: ultrahohe Kapazität, ultraschnelle Übertragung und Übertragung über extrem große Entfernungen. Der Durchbruch bündelt jahrelange eigenständige Innovationen bei zentralen optischen Technologien, darunter fortschrittliche Modulationsformate, Algorithmen zur digitalen Signalverarbeitung und spezialisierte optische Verstärker. Mit diesen Ergebnissen aus eigener Forschung festigt die Organisation ihre Position an der Spitze der Netzentwicklung der nächsten Generation und verringert zugleich ihre Abhängigkeit von ausländischen Anbietern optischer Komponenten.

Globaler Wettbewerb und strategische Positionierung

Xiang Ligang, Generaldirektor der Technologieallianz der Zhongguancun-Branche für moderne Informationsanwendungen für Verbraucher, hob die internationale Bedeutung der Entwicklung hervor.

Der Durchbruch festigt Chinas führende internationale Position im Bereich der optischen Kommunikation weiter und wird die Modernisierung und Entwicklung der Branche für optische Kommunikation vorantreiben.

Der Bereich der optischen Kommunikation ist im 21. Jahrhundert zu einem zentralen Schauplatz des Wettbewerbs um technologische Souveränität geworden. Die Kontrolle über die grundlegende Infrastruktur, die den weltweiten Datenverkehr trägt, hat enormes wirtschaftliches und strategisches Gewicht. Sie beeinflusst alles – von den Preisen für Cloud-Dienste bis hin zur Kommunikation der nationalen Sicherheit. Länder und Unternehmen, die sich bei Übertragungsstandards der nächsten Generation durchsetzen, werden die digitale Wirtschaft über Jahrzehnte prägen und bestimmen, wer an der unverzichtbaren Infrastruktur des Internets verdient.

Indem chinesische Forscher funktionsfähige Übertragung im Petabit-Bereich demonstrieren, noch bevor diese Kapazitäten kommerziell notwendig werden, verschaffen sie sich wertvolle Zeitvorteile bei der Standardisierung, der Entwicklung internationaler Patente und der Fertigungsbereitschaft. Damit können heimische Unternehmen optische Komponenten, Spezialkabel und Übertragungstechnik liefern, die Telekommunikationsanbieter weltweit bei der unvermeidlichen Modernisierung ihrer Infrastruktur für das datenintensive Wachstum durch KI benötigen werden. Eine frühe Führungsrolle bei Mehrkernfasern könnte einen ähnlich dauerhaften Vorteil schaffen, wie ihn Standards für Einmodenfasern westlichen Unternehmen während des ersten Ausbaus des Internets verschafften.

Vom Labor ins Wohnzimmer

Die Petabit-Übertragung mag für Verbraucher zunächst abstrakt klingen, doch ihre Auswirkungen werden sie und Unternehmen schon in wenigen Jahren erreichen, nicht erst in Jahrzehnten. Die Technologie ermöglicht schnelle und stabile optische Kommunikation für fortschrittliche Mobilfunknetze, Cloud-Computing-Plattformen und Big-Data-Analysen. Damit unterstützt sie unmittelbar die hochgradig digitalisierte Wirtschaft, die sich politische Entscheidungsträger und Technologieverantwortliche in Asien und darüber hinaus vorstellen.

Zu den unmittelbaren Anwendungen für Verbraucher zählen störungsfreies 8K-Livestreaming, Echtzeitinteraktionen mit KI, die sich tatsächlich unmittelbar anfühlen, und Cloud-Gaming mit einer Bildqualität, die sich nicht von lokalem Spielen auf einer Konsole unterscheiden lässt. In der Medizin ermöglicht die Technologie die Übertragung hochauflösender Bilddaten in Echtzeit für Beratungen zu Operationen aus der Ferne. Die Finanzmärkte profitieren von Latenzvorteilen im Mikrosekundenbereich bei algorithmischen Handelssystemen. Fertigungsunternehmen können ausgefeiltere Automatisierungslösungen einführen, bei denen zentrale Steuerungssysteme ohne Verzögerung mit weit entfernten Anlagen kommunizieren.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass die enorme Bandbreite den Engpass bei der Datenübertragung beseitigt, der die Entwicklung künstlicher Intelligenz derzeit einschränkt. Für das Training anspruchsvoller neuronaler Netze müssen riesige Datensätze zwischen Speichersystemen und Recheneinheiten in verteilten Rechenclustern übertragen werden. Petabit-Netze ermöglichen es KI-Clustern, über die bisherigen Grenzen hinaus zu wachsen. Das könnte Durchbrüche in der wissenschaftlichen Forschung, der Arzneimittelentwicklung, der Klimamodellierung und der Entwicklung autonomer Fahrzeuge beschleunigen. Die Infrastruktur wird die nächste Innovationswelle ermöglichen, die darauf angewiesen ist, riesige Datenströme reibungslos zwischen Städten, Ländern und Kontinenten zu übertragen.

Die wichtigsten Punkte

• CICT und seine Partner erreichten über eine Einmoden-Glasfaser mit 24 Kernen eine bidirektionale Übertragung von 2,5 Petabit pro Sekunde. Das entspricht dem Download von 14.000 4K-Filmen in einer Sekunde.
• Der Durchbruch nutzt Raummultiplex und schafft 24 parallele Datenkanäle innerhalb einer einzelnen Faser, statt lediglich die herkömmliche Übertragung über einen einzelnen Kern zu beschleunigen.
• Herkömmliche Glasfasersysteme nähern sich ihren physikalischen Kapazitätsgrenzen, während KI, große Sprachmodelle und Rechenzentren exponentiell mehr Bandbreite benötigen.
• Der Erfolg bestätigt die technische Umsetzbarkeit optischer Netze der nächsten Generation, die voraussichtlich innerhalb des nächsten Jahrzehnts für fortschrittliche Rechenanwendungen unverzichtbar werden.
• Zu den Einsatzmöglichkeiten zählen störungsfreies 8K-Streaming, Echtzeitinteraktionen mit KI, Cloud Computing und leistungsfähigere Trainingscluster für künstliche Intelligenz.
• Der Durchbruch stärkt Chinas führende Position in der globalen optischen Kommunikationstechnologie und die Leistungsfähigkeit der heimischen Fertigung.