Der Kristall, der den Datenengpass der KI löst – GGG

Das ist kein Diamant.

Kannst du glauben, dass dieser Kristall Gallium enthält?

Ja, dies ist ein Granatkristall aus Gadolinium-Gallium, allgemein als GGG bezeichnet, mit der chemischen Formel_{Gd₃Ga₅O₁₂}. GGG-Kristalle werden in der Regel nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet, wodurch große, hochwertige Einkristalle wie der unten abgebildete entstehen.

Abbildung 1. Das Czochralski-Verfahren zur Herstellung großer, hochwertiger Einkristalle aus Gadolinium-Gallium-Granat.

Was hat dieses attraktive Objekt also mit KI zu tun?

Wie moderne KI funktioniert (und wo die Probleme beginnen)

Moderne KI basiert auf Parallelverarbeitung und nutzt dabei vor allem Grafikprozessoren (GPUs), Tensor-Prozessoren (TPUs) und spezielle Beschleuniger. Die Arbeit umfasst im Wesentlichen:

• Multiplikation riesiger Matrizen (große Zahlenblöcke)
• Ständiger Datenaustausch zwischen:
  • GPU-Rechenkern
  • GPU-Speicher
  • Andere GPUs
  • Das Netzwerk (Switches, Kabel, optische Komponenten)

Ein großes Problem, das bei der Skalierung von KI auftritt, ist „das Netzwerk“, d. h., der Datentransfer wird zum Engpass. Selbst wenn GPUs schneller werden, kann das Gesamtsystem dennoch langsamer werden. Das lässt sich mit den schnellsten Köchen vergleichen, die warten müssen, weil enge Gänge den Fluss von Zutaten und Gerichten durch ein Restaurant verlangsamen.

Wo GGG eine Rolle spielt

Stabilität in der Photonik (optische „Einwegventile“)

Die Bandbreiten- und Energieengpässe im KI-Cluster zwingen zu einer Umstellung von Kupfer auf optische Übertragungswege, da Licht im Vergleich zu elektrischem Strom in Kupfer viel höhere Datenraten bei geringeren Verlusten über größere Entfernungen übertragen kann.

Optische Systeme bringen jedoch ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Winzige Reflexionen können in die Laser zurückgestrahlt werden und so Rauschen und Instabilität verursachen.

Eine klassische Lösung ist ein optischer Isolator: ein Bauteil, das Licht in Vorwärtsrichtung durchlässt, dessen Rückwärtsausbreitung jedoch blockiert. Viele Hochleistungsisolatoren basieren auf magnetooptischen Granatschichten, wie beispielsweise Yttrium-Eisen-Granat (YIG), die die Polarisation des Lichts in einem Magnetfeld drehen – ein Phänomen, das als Faraday-Effekt bekannt ist. Diese hochwertigen Granatschichten werden häufig auf Granatsubstraten wie GGG aufgebracht, da die Übereinstimmung der Kristallgitter (YIG-Gitterkonstante: ~12,376 Å; GGG-Gitterkonstante: ~12,383 Å) dazu beiträgt, sehr defektarme, hochwertige Schichten herzustellen.

Abstimmbare HF-/Mikrowellenkomponenten (Reinigung und Steuerung schneller Signale)

Da KI zunehmend in Mobilfunkbasisstationen, Satelliten, Radar- und Sensorsysteme sowie in die Hochfrequenz-Testgeräte zum Bau und zur Validierung von KI-Hardware Einzug hält, steigt die Nachfrage nach Komponenten, die Signale bei hohen Frequenzen auswählen, filtern oder abstimmen können.

YIG-basierte Bauelemente sind für ihre hervorragende Abstimmbarkeit und Leistungsfähigkeit in bestimmten HF- und Mikrowellenanwendungen bekannt. Aus demselben Grund – Kristallkompatibilität und Materialqualität – werden hochwertige YIG-Dünnschichten häufig auf GGG-Substraten hergestellt. Mit der zunehmenden Verbreitung der „vernetzten KI-Welt“ steigt auch die Nachfrage nach leistungsstarker Signalsteuerung weiter an.

Zusammenfassung

GGG spielt im Zeitalter der KI eine wichtige Rolle, da es den Materialstapel unterstützt, der zwei entscheidende Skalierungsanforderungen erfüllt:

• Mehr Photonik für einen effizienten Datentransfer.
• Bessere Steuerung der Hochfrequenzsignale, um die Systeme stabil, störungsfrei und einstellbar zu halten.

GGG steht zwar nicht im Rampenlicht, ist aber ein spezialisierter Wegbereiter hinter den Kulissen. Angesichts der fortschreitenden Weiterentwicklung von KI, Photonik und Hochfrequenztechnologien gewinnen Materialien, die im Hintergrund für Leistung und Zuverlässigkeit sorgen, mehr denn je an Bedeutung.

Die Rolle der Indium Corporation im Bereich der KI

Wie oben erwähnt, wird GGG nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt, bei dem Galliumoxid (_Ga₂O₃) und Gadoliniumoxid (_Gd₂O₃) als wichtigste Ausgangsstoffe zum Einsatz kommen. Wir sind stolz darauf, Hersteller von hochreinem Galliumoxid (_Ga₂O₃) zu sein, einem entscheidenden Ausgangsstoff für diesen Prozess.

Ebenso wichtig ist unser Engagement für den Aufbau und die Aufrechterhaltung einer widerstandsfähigen Lieferkette. Durch strategische Beschaffung und innovative Kooperationen, wie beispielsweise Partnerschaften mit wichtigen Interessengruppen, arbeiten wir aktiv daran, die Bezugsquellen für Gallium zu erweitern und zu diversifizieren.

In Zusammenarbeit mit Rio Tinto ist die Indium Corporation auf dem besten Weg, sich zu einem wichtigen Galliumlieferanten für Nordamerika und den globalen Markt zu entwickeln. Diese Zusammenarbeit gewährleistet eine zuverlässige Versorgung mit diesem strategisch wichtigen Werkstoff. Wenn Sie mehr über die Gallium-Produkte der Indium Corporation erfahren möchten, können Sie sich gerne über unser Online-Formular an uns wenden!