Von Peter C. Krell
Deutschland verfügt über ein einzigartiges traditionsreiches Erbe von technischer Innovationen, desen Anfänge weit zurückreichen. Beispielsweise prägt der Industrieverband SPECTARIS als Sprachrohr für Optik, Feinmechanik, Photonik und Labortechnik seit 1881 die Rahmenbedingungen für Forschung und Industrie. Parallel entwickelt sich die Spintronik zu einer Schlüsseltechnologie für Datenspeicherung und energieeffiziente Logik, während modernste Photonik neue Märkte für KI-Hardware öffnet.
Die Synthese aus Photonik und Spintronik gilt als Wegbereiter nachhaltiger KI-Hardware, stärkt die technologische Souveränität Deutschlands und Europas und ist im Begriff, Silizium als Trägersubstrat mit Graphem abzulösen.
SPECTARIS: Historische Wurzeln und Branchenvertretung
Die Ursprünge von SPECTARIS reichen zurück auf die 1881 gegründete „Deutsche Gesellschaft für Mechanik und Optik“, aus der schon 1900 bei der Pariser Welt- ausstellung deutsche Präzisionstechnik international geehrt wurde. Heute vertritt der Verband rund die Hälfte der rund 1000 Photonik-Unternehmen – von globalen Technologieführern wie Trumpf und Zeiss bis zu innovativen Mittelständlern unter ihnen die Firmen Q.ANT und Black Semiconductors. Mit einem Auslandsanteil von 73% am Gesamtumsatz von 54 Mrd. € (2023) dokumentiert SPECTARIS die weltweite Bedeutung deutscher High-Tech-Produkte. Für 2024 und 2025 wurde der Photonik-Branche Wachstum prognoistiziert.
Spintronik: Grundlagen, Durchbrüche und Anwendungen
Anfang der 1970er Jahre legte das Forscher-Duo Meservey und Tedrow mit dem Nachweis spin-polarisierter Tunnelströme den Grundstein der Spintronik. Johnson und Silsbee demonstrierten 1985 Spin-Injektion in Metallen, und 1988 entdeckten Fert und Grünberg den Giant Magnetoresistance-Effekt, der Festplattenlaufwerke revolutionierte und 2007 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde. In den 1990er Jahren folgten Spin-Transistoren und das Spin-Transfer-Torque-Prinzip, das heute in MRAM-Speichern eingesetzt wird. Aktuell finden spintronische Sensoren in Festplatten-Leseköpfen, Sensorik (Kompass, Positionsmessung) und nicht-flüchtigen Speichern Verwendung. Spintronische Verfahren, wie sie etwa bei MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) oder in Festplatten-Leseköpfen (GMR-Effekt) eingesetzt werden, nutzen den Elektronenspin zur Speicherung oder Verarbeitung von Informationen. Diese Technologien gelten als vielversprechend für zukünftige Speicherlösungen mit hoher Geschwindigkeit und niedrigerem Energieverbrauch, sind aber bislang überwiegend in Forschung und Entwicklung oder in speziellen Nischenprodukten zu finden. Photonik als Basis für skalierbare, energieeffiziente KI-Hardware Photonische Schaltungen (Integrated Photonic Circuits) nutzen Lichtsignale statt Elektronen und erreichen bei 1550 nm Wellenlänge Terabit-Datenraten mit Verlusten von nur wenigen dB/cm. Die Waferskalige Integration von III–V-Halbleitern auf SOI-Substraten liefert gegenüber herkömmlichen Lösungen eine bis zu 290-fach bessere Flächeneffizienz und steigert die Energieeffizienz um den Faktor 140 dank integrierter Laser, Modulatoren und Photodetektoren. Roadmaparbeiten zielen auf 800 Gbps-Transceiver bis 2026, während Photonik in Automotive-LIDAR, Biosensorik und Quantencomputing expandiert.
Die Marktkräfte hinter Spintronik und Photonik
Der globale Spintronik-Markt wuchs 2022 auf 1,5 Mrd. USD und könnte bis 2032 bei einem CAGR von 34,2% auf 75,2 Mrd. USD steigen. MRAM und Spin-Transistoren versprechen sub-fJ-Schaltenergien und nicht-flüchtigen Speicher für KI-Beschleuniger. Parallel treiben Venture Capital und staatliche Förderprogramme die Photonik voran: Der EU-Chips Act stellt jährlich Fördermittel von mehreren hundert Millionen Euro bereit, und nationale Initiativen wie das BMBF-Rahmenprogramm Photonikintegration gewähren bis zu 100 Mio. € pro Jahr für Pilotprojekte. Innovatiion durch hybride KI-Hardware: Spintronik trifft Photonik Die Kombination beider Technologien verspricht ultraniedrige Schaltenergien und hohe Datenraten. All-Optical-Switching inferrimagnetischen Schichten ermöglicht Pikosekunden-Schaltvorgänge bei Pulsenergien < 1 pJ. Synthetic Ferrimagnetic Materials koppeln spintronische Schichten direkt an photonic waveguides, während Graphen-Photonik die elektrische-optische Konversion optimiert. Unified Design-Flows für Silizium-Photonik (z.B. auf Basis von Bismut) und Spintronik vereinfachen die Entwicklung hybrider Chips.
Fallbeispiel Black Semiconductors und FabONE
Das Aachener Startup Black Semiconductors (2020) hat sich auf Graphen-basierte Photonik spezialisiert und erhielt 2024 eine Finanzierungsrunde über 254,4 Mio. €, davon flossen vom IPCEI ME/CT-Programm 228,7 Mio. € öffentliche Fördermittel in das Projekt. Die weltweit erste Produktionsstätte „FabONE“ ist im Bau und nimmt seit Januar 2025 den Betrieb auf. Bis 2030 spätestens soll die Massenfertigung photonischer KI-Chips erfolgen. Die Retrofit-Strategie bestehender 90 nm-CMOS-Pilotlinien (z. B. Q.ANT) ermöglicht eine kosteneffiziente Skalierung von 2.000 auf bis zu 10.000 Wafer-Starts pro Jahr, was ca. 5 Mio. Chips entspricht bei einer jedoch derzeit noch relativ hohen Ausfallquote von 10% und dem Willen zu optimieren. Infrastruktur- und Skalierungsstrategien Um die EU bzw. den Weltmarkt mit KI-Photonik-Chips „Made in Germany“ zu versorgen, sind mehrere Hebel erforderlich:
- • Upcycling bestehender Foundries reduziert Investitionskosten um rund 60% und beschleunigt den Markteintritt.
- • Standardisierung durch Branchen-PDKs (Photonics Design Kits) und Testnormen sichert Interoperabilität.
- • EU-Chips Act und nationale Förderinitiativen schaffen finanzielle Rahmenbedingungen für Pilotlinien auf 300 mm-Wafers. Ggf. Aufbau von teilstaatlichen EU-VCs?
- • Parallele Skalierung durch Wavelength-Division Multiplexing (50× schnellere Matrixoperationen) und Graphen-Integration.
- • Qualifizierungsprogramme und Forschungskooperationen (Fraunhofer, TRUMPF, TU Dresden) bauen Fachkräfte und Innovationsnetzwerke aus. Helmholtz AI aus Jülich signalisierte auf der ISC 2025 auch Interesse, die Chips von Q.ANT zu testen (möglicherweise auch fürs AI.MAG.)
Herausforderungen und politische Rahmenbedingungen
Eine zügige Realisierung hängt von politischem Willen, Public-Private-Partnerships und standardisierten Ökosystemen ab. Deutschland kämpft mit langen Ge-nehmigungszeiten und fragmentierten Industriestandards, was Projekte wie die geplante „AI Gigafactory“ von IONOS, SAP, Schwarzgruppe und Telekom verzögert und dann sogar zur Absage des Gemeinschaftsprojekts führte und jede der beteiligten Firmen nun doch wieder eigene Strategien verfolgt. Die Europäische Union hat 76 Interessenbekundungen zum Bau von AI-Gigafactories aus 16 Mitgliedsstaaten vorliegen, von denen die EU-Kommission noch in 2025 final 4–5 Standorte auswählen wird. Für den Bau dieser Anlagen sind rund 20 Mrd. € geplant. Baubeginn sind für 2026 und Inbetriebnahme ab 2027. Die Frage wäre, ob das nicht zu spät wäre und man nicht lieber gleich, wie es Dr. Michael Förtsch in seinem Interview, das er mit unsauf der ISC 2025 führte, fordert er sinngemäß, besser beherzt in Next-Gen-KI-Hardware investiert, als einer Technologie, bei der Deutschland nicht mehr aufholen können wird, zu spät zu viel effizient genug zu investieren.
Wirtschaftliche Bedeutungen und Ausblick
Hybrid-Photonik-Spintronik-Chips senken den Energieverbrauch um das bis zu 30-fache, reduzieren TCO großer Rechenzentren erheblich und schaffen neue Märkte für nachhaltige KI-Beschleuniger.
Mittelfristig ermöglichen neuromorphe Architekturen und All-Optical Memory-Zellen Ultra-Low-Power-Edge-AI. Quantenmaterialien (TMDCs, Rashba-Halbleiter) bilden Schnittstellen für Quantenspintronik in KI. Die technologische Souveränität Deutschlands und Europas ist entscheidend, um Abhängigkeiten von US-amerikanischen und asiatischen Anbieterfirmen zu verringern und durch wirtschaftlich und technisch überzeugende bessere und leistungsfähigere KI-Hardware für umweltfreundlichere Alternativen zu sorgen.
Die Verbindung von Spintronik und Photonik eröffnet Deutschland ein entscheidendes Innovationspotenzial wie jeder dieser Bereiche für sich genommen. Hybrid-Chips auf Basis von Graphen-Photonik und spintronischen Speichern versprechen energieeffiziente, skalierbare KI-Hardware und stärken gleichzeitig die digitale Souveränität. Politische Weichenstellungen, Standardisierungsinitiativen und gezielte Förderprogramme und Bildung müssten jetzt zügig umgesetzt werden, damit die erste Generation nachhaltiger KI-Beschleuniger „Made in Germany“ weltweit konkurrenzfähig die Lücke schließt, die der Wegfall von Automotive gerissen hat.
Q.ANT verfolgt seit seiner Gründung eine mehrgleisige Strategie, um die Integration von Photonik und Spintronik voranzutreiben und sich als Vorreiter im Bereich leistungsfähige Eco-Next-Gen KI-Hardware zu positionieren. Im Zentrum steht das Para.Digm-Framework, das nahtlos von der Laserquelle über photonische Rechenkerne bis zur Lichtdetektion reicht. Durch vertikale Wertschöpfung kontrolliert Q.ANT jeden Schritt von der Waferferti- gung bis zum fertigen Native Processing Server (NPS) im Pilotwerk Stuttgart und nutzt dabei Upcycling bestehender 200 mm-CMOS-Foundries, um Investitionskosten um rund 60 Prozent zu senken und die Time-to-Market zu verkürzen. Ergänzt wird dieses Angebotsportfolio durch die Thin-Film-Lithium-Niobat-Plattform LENA, welche die Light Empowered Native Arithmetic (LENA) ermöglicht und im Vergleich zu klassischen CMOS-Strukturen eine rund 30-50 fache Energieeffizienzsteigerung erzielt. Die NPS-Server lassen sich über standardisierte PCIe-Schnittstellen in bestehende Rechenzentren integrieren und unterstützen gängige KI-Frameworks wie TensorFlow, PyTorch und Keras, sodass sowohl Inferenz als auch Training auf photonisch-spintronic beschleunigten Systemen erfolgen können. Gecodet wird in C++ und Python.
Zur Ausweitung der Innovationsführerschaft setzt Q.ANT konsequent auf partnerschaftliche Allianzen. Entsprechend besteht eine enge Forschungskooperation mit Fraunhofer-Instituten und der TU Dresden, die gemeinsam an hybriden Bauelementen wie All-Optical-Switching in Ferrimagneten arbeiten. Das LRZ in Leipzig testet gerade die neuen KI-Chips von Q..ANT und scheint begeistert zu sein.
Parallel wird die FabONE in Aachen gebaut. Die EU-Chips Act-Fördermittel ermöglichen den Ausbau von 300 mm-Pilotlinien. Innerhalb von SPECTARIS engagiert sich Q.ANT zudem in PDK-Konsortien, um Design- und Teststandards für die Spin-Photonik-Branche von morgen zu etablieren und Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Fertigungsprozessen sicherzustellen. Da es sich wie zu Konrad Zuses Zeiten wieder um analoges Computing handeln wird, sind auch „exotischere“ Innovationen denkbar.
Für die Marktdurchdringung verfolgt Q.ANT, während das Kerngeschäft der Sensorik stabil zu läuft, eine Mischung aus Produktvalidierung, Kundenengagement und gezieltem Portfolioausbau: Auf der ISC 2025 in Hamburg haben Live-Demonstrationen des NPS stattgefunden und Fachdiskussionen zur praktischen Anwendung von NPUs, um potenziellen Anwender:innen die Leistungsfähigkeit der photonischen Co-Prozessoren zu demonstrieren. Verkürzt gesagt, die HPC Branche ist neugierig geworden und hell wach. Gleichzeitig startet Q.ANT Pilotprojekte mit Hyperscalern und Rechenzentrumsbetreibern, um Referenzarchitekturen für photonische KI-Beschleuniger in heterogenen KI-Clustern nach und nach zu etablieren.
Die Fokussierung auf KI-Inferenz, Edge-AI und wissenschaftliche HPC-Workloads nutzt die besonderen Stärken der hybriden Systeme – ultraniedrige Latenzen und minimaler Energiebedarf. Da das Interferenz-Zentrum im Jülich erst aufgebaut wird, könnten schnelle Reaktionen zu einer schnellen Adaption führen. Parallel dazu entsteht ein Netzwerk aus Upcycling-Foundries in Europa und Nordamerika, um regionale Lieferketten nachhaltig abzusichern und Skaleneffekte zu nutzen.
Qualifizierungsprogramme in Zusammenarbeit mit Hochschulen und Forschungseinrichtungen sollen den Bedarf an spezialisierten „photon-spin engineers“ decken. Die technologische Synergie aus Spintronik und Photonik eröffnet entscheidende Wettbewerbsvorteile. All-Optical-Switching in ferrimagnetischen Schichten ermöglicht Schaltvorgänge im Pikosekundenbereich. Durch native photonische Matrix-Multiplikationen entfallen viele digitale Zwischenstufen, was den Hardware-Stack vereinfacht und den Energieverbrauch sowie die Latenz weiter reduziert. Die konsolidierte Strategie aus vertikaler Integration, standardisierten Ökosystemen und starken Partnerschaften positioniert Q.ANT als First-Mover bei der Kommerzialisierung hybrider-Photonik-Beschleuniger. Mit Pilotanlagen wie FabONE, intensiver F&E-Kooperation und einem konsequenten Fokus auf Markteintrittsstrategien wird das Unternehmen die technologische Souveränität Deutschlands und Europa im globalen Wettbewerb weiter stärken. Die Verschmelzung von Spintronik und Photonik in neuen Speichertechnologien markiert einen Meilenstein für ultraschnelle, energieeffiziente und kompakte Speicherlösungen. Diese Innovationen werden die Architektur von Computern, KI-Systemen und Datenzentren grundlegend verändern und ermöglichen eine neue Generation von Hardware jenseits der Von -Neumann-Architektur, die Speed, Effizienz und Vielseitigkeit vereint. 🙏