Top 10 Nicht‑Silizium‑Computing‑Unternehmen

Von Silizium zu neuen Formen des Rechnens

Die Computerindustrie entstand, als mechanische Geräte begannen, Berechnungen durchzuführen, die bisher dem menschlichen Gehirn vorbehalten waren. Doch erst mit Vakuumröhren und später mit Transistoren wurden echte Computer geschaffen.

Die nächste Revolution waren die Silizium‑Computerchips, mit ständig steigender Transistordichte für immer höhere Rechenleistung.

Quelle: Mobile First

Derzeit experimentiert die Halbleiterindustrie mit immer leistungsfähigeren Systemen, um Chips im 5‑nm‑ und sogar 2‑nm‑Bereich zu produzieren. Das bringt uns einem Problem immer näher, da irgendwann die Verwendung immer kleinerer Silizium‑Transistoren nicht mehr möglich sein wird.

Ein einzelnes Siliziumatom ist das theoretische Limit, doch praktische ingenieurtechnische Probleme werden wahrscheinlich bereits vor Erreichen dieser Schwelle auftreten.

Wird die Rechenleistung also von hier an stagnieren? Wahrscheinlich nicht.

Die Lösung wird jedoch darin liegen, Berechnungen nach völlig neuen Prinzipien durchzuführen. Es gibt tatsächlich viele potenzielle Wege, das Rechnen ohne Silizium‑Transistoren zu ermöglichen. Wir können uns die vielversprechendsten Ideen ansehen, ohne in technische Details zu gehen.

Nicht‑Silizium‑Halbleiter

Ein Halbleiter ist ein Material, das zwischen leitend (leitet elektrischen Strom, erzeugt ein „1“-Bit in Binär) und isolierend (blockiert elektrischen Strom, erzeugt ein „0“-Bit) umschalten kann.

Silizium war bislang das bevorzugte Material für die Herstellung von Halbleiterchips, doch es werden inzwischen zahlreiche Alternativen erforscht. Jedes Material, das eine Bandlücke aufweist, kann ein guter Kandidat sein.

Quelle: Energy Education

Vanadiumdioxid

Seit langem gilt Vanadiumdioxid als gute Alternative zu Silizium. Das liegt daran, dass es ein Phänomen namens „Metall‑Isolator‑Übergang“ durchläuft, das nur eine Billionstel Sekunde dauert.

Die Geschwindigkeit des Metall‑Isolator‑Übergangs sollte schnellere und kleinere Elektronik im Vergleich zu klassischer Silizium‑Elektronik ermöglichen.

Aktuelle Forschung hat es geschafft, Vanadiumdioxid auf einem Substrat aus Titandioxid zu untersuchen.

Sie entdeckten zudem, dass Titandioxid ebenfalls ein Halbleiter sein kann. Diese Entdeckung könnte die Herstellung neuromorpher Chips ermöglichen, die auf Hardware‑Ebene lernen und sich an den Gehirnen lebender Systeme mit Neuronen orientieren.

Dank seines sehr schnellen Insulator‑zu‑Metall‑Übergangs könnte Vanadiumdioxid mit einem aktiven Substrat aus Titandioxid verwendet werden, um Mott‑neuron‑ähnliche Spike‑Oszillatoren zu erzeugen, die biologische Neuronen auf Hardware‑Ebene nachbilden können.

Graphen

Ein weiterer vielversprechender Kandidat ist Graphen, ein 2‑D‑Material mit extrem hoher elektrischer Leitfähigkeit. Es ist sogar ein potenzieller Supraleiter und ein „Wundermaterial“, dessen Eigenschaften noch in Echtzeit entdeckt werden.

Mehr über die ersten erfolgreichen Versuche, Graphen zu einem Halbleitermaterial zu machen, erfahren Sie in unserem Artikel „Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?“.

Organische Materialien

Laut einer jüngsten Entdeckung könnte organisches Material gezwungen werden, eine 2‑D‑Struktur ähnlich wie Graphen zu bilden. Das könnte es ebenso ultra‑leitfähig wie Graphen machen, während es von Natur aus Halbleitereigenschaften aufweist – im Gegensatz zu Graphen, das dazu „gezwungen“ werden muss.

Mehr über diese Möglichkeit erfahren Sie in „Can Organic Semiconductors Combine the Benefits of Graphene & Silicon?“.

Optimierung des Stromverbrauchs von Halbleitern

Ein Problem bei immer schnelleren und kleineren Transistoren ist der steigende Stromverbrauch.

Eine Alternative könnte die Verwendung einer Technik namens „Redox‑Gating“ sein. Diese beruht stärker auf einer chemischen Reaktion (Redox) und könnte den Energiebedarf drastisch senken.

Sollten die Kosten für das Rechnen aufgrund des Stromverbrauchs die Chipkosten übersteigen, könnte dies ebenfalls als Lösung umgesetzt werden. Wir haben die neuesten Neuigkeiten zu diesem Thema in „Redox Gating Could Lead to New Levels of Efficiency in Tiny Electronics“ untersucht.

Photonik

Alternative Halbleitermaterialien versuchen, Silizium zu ersetzen. Aber was, wenn das Rechnen vollständig ohne Elektronen, Transistoren und Halbleiter erfolgen würde?

Dies ist die Idee der Photonik, die versucht, Berechnungen direkt mit Licht durchzuführen.

Licht ist das schnellste Phänomen im Universum, sodass es um Größenordnungen schneller sein könnte als silizium‑ und halbleiterbasierte Berechnungen.

In der Praxis kann Photonik immer noch Silizium einbeziehen, könnte aber auch auf Kristalle setzen.

Aufgrund der wellenartigen Natur des Lichts beruht das Design der Photonik auf Kurven und einzigartigen (und noch nicht vollständig technologisch ausgereiften) Designprinzipien, die sich von denen der Halbleiter unterscheiden.

Quelle: Synopsis

Quantencomputing

Rechnen könnte auch durch Messung des Quantenzustands von Teilchen statt des elektrischen Stroms erfolgen.

Statt 0 und 1 (kein Strom bzw. Strom) zu erzeugen, verwendet es „Quantenbits“, sogenannte Qubits, bei denen Teilchendaten gleichzeitig 0 UND 1, oder 1, oder 0 sein können.

Aufgrund des grundsätzlichen Unterschieds in der Berechnung ist Quantencomputing keine Alternative zum „normalen“ Rechnen, sondern eher eine Ergänzung.

Standard‑Computing arbeitet linear und hat Schwierigkeiten bei sehr komplexen Berechnungen, wie Klimamodellierung, Kryptografie oder der 3‑D‑Konfiguration komplexer Moleküle wie Proteinen. Genau diese Art von Berechnungen soll das Quantencomputing besonders gut beherrschen.

Daher können Quantencomputer, obwohl sie Silizium nicht vollständig ersetzen, Aufgaben besser erledigen, die für Silizium‑Chips bisher fast unmöglich waren.

Mehr über die neuesten Neuigkeiten im Quantencomputing erfahren Sie in unserem Artikel „The Current State of Quantum Computing“.

Biologische Organoide

Unsere Gehirne sind im Wesentlichen Supercomputer, zumindest bei Prozessen wie Mustererkennung, Sprache usw. Und dabei sehr effizient, sie verbrauchen kaum ein paar Dutzend Watt.

Ein Schweizer Startup, FinalSpark, hat nun eine 0,5 mm große Kugel (Organoid) aus 10.000 menschlichen Neuronen entwickelt. Und nutzt sie zur Durchführung von Berechnungen. Der Service wird sogar über die Cloud zugänglich sein.

Dies ist ein sehr neues Feld, und es ist noch unklar, wie weit es gehen wird. Aber wer weiß, vielleicht laufen unsere selbstfahrenden Geräte eines Tages auf Neuronen statt auf Chips.

Top 10 Nicht‑Silizium‑Aktien

1. International Business Machines Corporation

International Business Machines Corporation (IBM) war die treibende Kraft hinter der Kommerzialisierung des ersten Mainframe‑Computers. Allerdings ist das Unternehmen im Produktionsvolumen gegenüber anderen Technologieriesen wie Apple, TSMC und NVIDIA zurückgefallen.

Es steht jedoch an vorderster Front der Entwicklung von Quantencomputern. Beispielsweise entwickelte es den 127‑Qubit‑Quantencomputer „Eagle“, dem ein 433‑Qubit‑System namens „Osprey“ folgte.

Und das wird nun von „Condor“, einem 1.121‑Supraleitungs‑Qubit‑Quantenprozessor, gefolgt, basierend auf Cross‑Resonance‑Gate‑Technologie, zusammen mit „Heron“, einem Quantenprozessor am äußersten Rand des Feldes.

IBM ist an den meisten anderen Spitzentechnologien im Computing und der Halbleiterindustrie beteiligt. Dazu gehören leitende organische Materialien, neuromorphes Computing, Photonik usw.

In gewissem Maße ist IBM zu einem „Patentunternehmen“ geworden, das über Expertise in der Entwicklung neuer Rechenmethoden verfügt und diese an die Industrie lizenziert.

Bisher scheint das Unternehmen entschlossen, so viele Schlüsselpatente wie möglich in allen nicht‑siliziumbasierten Rechenmethoden zu besitzen, und repliziert damit seinen früheren Erfolg, als es maßgeblich zur Entwicklung der Halbleiterindustrie beitrug.

2. Microsoft Corporation

Microsoft, bereits führend bei „normalen“ Cloud‑Diensten, ist ein Pionier im Angebot von Quanten‑Computing‑Cloud‑Services mit Azure Quantum.

Es ist durchaus möglich, dass die meisten Quantencomputing‑Aufgaben in Zukunft „remotely“ erledigt werden, wobei Cloud‑Dienste wie die von Microsoft genutzt werden, anstatt direkten Zugriff auf einen Quantencomputer zu haben.

Dies ist besonders wahrscheinlich, da die meisten Quantencomputing‑Anwendungen von Biochemikern, Materialwissenschaftlern, Klimawissenschaftlern und anderen Spezialisten erforscht werden, die keinen spezifischen Hintergrund im Quantencomputing haben.

Daher ist es sinnvoller, sich auf spezialisierte Fachleute bei Unternehmen wie IBM, Microsoft oder Google zu verlassen, anstatt Personen ohne entsprechende Ausbildung einzustellen oder zu schulen.

Der Microsoft‑Service bietet „Hybrid‑Computing“, das Quantencomputing mit herkömmlichen cloud‑basierten Supercomputer‑Diensten kombiniert.

Quelle: Microsoft

Statt vertikaler Integration hat Microsoft im Quantencomputing Partnerschaften mit führenden Unternehmen eingegangen, die praktisch alle Technologien abdecken, die für Quantencomputing nötig sind, wie IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT) und Rigetti (RGTI).

Quelle: Microsoft

Microsoft hat zudem Ende 2023 eine Zusammenarbeit mit Photonic gegründet, einem Unternehmen, das an der Verbindung von Quantencomputing und Photonik arbeitet.

Microsoft arbeitet außerdem an analogen photonischen Chips für die Finanzindustrie.

Quantencomputing ist derzeit nicht das Kerngeschäft von Microsoft. Dennoch ist das Unternehmen ein zentraler Akteur im Sektor und könnte eine „sicherere“ Aktienwahl darstellen, als direkt Anteile seiner öffentlich gehandelten Quanten‑Computing‑Partner wie QCI oder Rigetti zu erwerben.

3. Alphabet Inc.

Google ist sehr aktiv im Quantencomputing, hauptsächlich über sein Google Quantum AI‑Labor und den Quantum AI‑Campus in Santa Barbara.

Der Quantencomputer von Google schrieb 2019 Geschichte, als Google behauptete, mit seiner Sycamore‑Maschine „Quanten‑Suprematie“ erreicht zu haben, indem sie eine Berechnung in 200 Sekunden durchführte, die ein herkömmlicher Supercomputer in 10.000 Jahren benötigen würde.

Vielleicht ist Googles größter Beitrag jedoch die Software, ein Bereich, in dem das Unternehmen eine deutlich bessere Erfolgsbilanz als bei Hardware (Suche, G‑Suite, Android usw.) vorweisen kann. Googles Quantum AI stellt bereits eine Suite von Software bereit, die Wissenschaftlern bei der Entwicklung von Quanten‑Algorithmen hilft.

Google ist zudem ein aktiver Unterstützer von Photonik‑Unternehmen wie Lightmatter.

Google wird voraussichtlich zu den Unternehmen gehören, die die Standards für Quanten‑Computing‑Software und -Programmierung festlegen, und damit maßgeblich die zukünftige Entwicklung des Feldes beeinflussen. Sein starkes Netzwerk und die VC‑Aktivität werden ihm wahrscheinlich auch in anderen nicht‑siliziumbasierten Rechenformen eine bedeutende Rolle verschaffen.

4. Intel

Intel ist ein großer Chip‑Hersteller und scheint diese Stärke in den Bereich des Quantencomputings einbringen zu wollen.

Kürzlich hat Intel „Tunnel Falls“, den „am weitesten fortgeschrittenen Silizium‑Spin‑Qubit‑Chip“ vorgestellt. Bemerkenswert ist, dass es sich nicht um einen Prototyp handelt, sondern um einen im Serienmaßstab gefertigten Chip mit einer Ausbeute von 95 % über das Wafer und einer Spannungseinheitlichkeit. Dies ebnet den Weg zur Massenproduktion von Quanten‑Computing‑Chips, was bislang in einer jungen und sich schnell wandelnden Branche kaum möglich war.

Quelle: Intel

Treue zu seinen Wurzeln entwickelt Intel zudem die Software zur Nutzung seiner Chips, mit der Veröffentlichung des Intel Quantum SDK. Dieses bietet Richtlinien für Programmierer, um Software für Quantencomputing zu entwickeln, die mit dem Intel‑Quantum‑Chip‑Design kompatibel ist, was historisch ein sehr starkes und profitables Geschäfts‑Moat für Intels konventionelles Chip‑Geschäft darstellte.

Quelle: Intel

Das Aufkommen skalierbarer Quanten‑Chip‑Fertigung könnte für die Branche ebenso revolutionär sein wie jede andere technische wissenschaftliche Durchbruch, indem es Kosten senkt und einheitliche Programmierstandards sowie Chip‑Architekturen etabliert.

Ende 2023 beschloss Intel, sein Photonik‑Geschäft an Jabil (JBL) zu veräußern.

Insgesamt macht Intel Fortschritte im Quantencomputing und scheint eine klare Strategie zu verfolgen, sich stärker auf dieses Thema als auf Photonik und andere Alternativen zu konzentrieren.

5. Nvidia

Der führende Hersteller von Grafikkarten und, neuerdings, von Kryptowährungs‑Mining‑Rigs und KI‑Chips hat sich von einem PC‑Komponentenhersteller zu einem der globalen Technologieriesen entwickelt.

Nvidia ist zudem im Quantencomputing aktiv, mit seinem NVIDIA DGX Quantum, das normale Chips und Quantencomputing mithilfe der neu veröffentlichten Open‑Source‑CUDA‑Quantum‑Softwareplattform kombiniert.

Quelle: Nvidia

Um seine Führungsposition im KI‑Bereich zu stärken, hat Nvidia zudem sein QuantumX‑800 für KI‑optimiertes Networking in Rechenzentren veröffentlicht.

Im Bereich Photonik hat Nvidia eine Partnerschaft mit TSMC und Broadcom geschlossen. Ziel ist die Schaffung eines einzigen Moduls mittels Co‑Packaged‑Optics (CPO), das klassische Silizium‑Chips und Photonik integriert.

Insgesamt ist Nvidias Erfolg eng mit dem aktuellen KI‑Boom verknüpft, während Quantencomputing und Photonik an zweiter Stelle stehen. Dennoch wird das Unternehmen vom Wachstum dieser Sektoren profitieren und scheint entschlossen, im Rennen zu bleiben.

6. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum ist das Ergebnis der Fusion von Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum (und, wie erwähnt, ein Partner von Microsofts Quanten‑Cloud‑Computing).

Quantinuum konzentriert sich derzeit auf Segmente, die von anderen Quanten‑Computingsystemen weniger erforscht werden, insbesondere Finanz‑ und Lieferketten‑Analysen, über seine Quantum Monte Carlo Integration (QMCI)‑Engine, die im September 2023 gestartet wurde.

QMCI findet Anwendung bei Problemen, für die es keine analytische Lösung gibt, wie der Preisgestaltung von Finanzderivaten oder der Simulation von Ergebnissen hochenergetischer Teilchenphysik‑Experimente, und verspricht rechnerische Fortschritte in den Bereichen Wirtschaft, Energie, Logistik von Lieferketten und anderen Sektoren.

Wie Microsoft ist Quantencomputing nicht der zentrale Teil von Honeywells Geschäft, das stärker auf Produkte in den Bereichen Luft‑ und Raumfahrt, Automation sowie Spezialchemikalien und -materialien ausgerichtet ist.

Allerdings lässt sich, da jeder dieser Geschäftsbereiche von Quantencomputing profitieren könnte, das Geschäftsmodell für Honeywell, sich zu engagieren, leicht nachvollziehen.

Damit ist Honeywell sowohl Anbieter von Quanten‑Computing‑Dienstleistungen als auch eines der Unternehmen, das von der Anwendung von Quantencomputern in realen Geschäftsfällen profitieren könnte – etwas, das die Integration von Quantinuum in die Gruppe schneller vorantreiben sollte als bei industriellen Wettbewerbern.

7. Synopsys

Jedes photonische System muss – zumindest zu Beginn – so nahtlos wie möglich in Silizium‑Systeme integriert werden. Synopsys kann dabei unterstützen.

Das Unternehmen ist Spezialist für Silizium‑Design und -Verifikation, das heißt, seine Software wird zur Gestaltung neuer Chips verwendet, einschließlich ultra‑fortschrittlicher 5‑nm‑Chips und kleiner.

Das Unternehmen bietet zudem Software für Photonik an, beschrieben als ” Der einzige nahtlose Design‑Flow der Branche für photonische Geräte, Systeme und integrierte Schaltkreise “. Diese ermöglicht das Design und die Simulation neuer photonischer Geräte.

Quelle: Synopsis

Das Unternehmen hat zudem ein Joint‑Venture mit Juniper Network gegründet, um OpenLight zu schaffen, ein Photonik‑Unternehmen, das Indium‑Phosphid verwendet.

8. Juniper Network

Juniper behauptet, die Nr. 1 Cloud‑Native‑Wireless‑Lösung und das einzige KI‑gesteuerte Wi‑Fi‑Netz anzubieten. Das stellt das Unternehmen in direkte Konkurrenz zu älteren und etablierten Giganten wie Cisco. Junipers Technologie, Juniper Mist, soll skalierbarer, flexibler und besser bei der Anomalieerkennung sein als das entsprechende Angebot von Cisco.

Die Lösungen des Unternehmens basieren stark auf KI, wobei die KI‑Engine „Marvis“ auf allen Netzwerkebenen, vom Nutzer bis zum Rechenzentrum, eingesetzt wird.

Quelle: Juniper

Im Bereich Sicherheit erzielt Juniper zudem herausragende Ergebnisse bei Firewalls, Bedrohungsabwehr und Schutz vor Exploits und übertrifft damit die meisten Anbieter wie Fortinet, Palo Alto, Zscaler usw.

Juniper bietet außerdem Photonische Integrierte Schaltkreise (PICs) an, die derzeit hauptsächlich für Datenübertragung und Sensoren verwendet werden. Es wird erwartet, dass sie ein integraler Bestandteil zukünftiger photonischer Computer sein werden.

Quelle: Synopsis

9. Rigetti Computing, Inc.

Rigetti ist ein Quantencomputing‑Unternehmen, das „kritisches geistiges Eigentum für unseren bahnbrechenden Multi‑Chip‑Prozessor und den hybriden Quanten‑klassischen Ansatz besitzt, der zur vorherrschenden Quanten‑Computing‑Architektur geworden ist“.

Das Unternehmen integriert alle für das Quantencomputing erforderlichen Schritte, von der Chip‑Entwicklung und -Fertigung bis hin zur Cloud‑Bereitstellung der Rechenleistung.

Quelle: Rigetti

Das Unternehmen konzentriert sich weniger darauf, möglichst viele Qubits hinzuzufügen (wie es Giganten wie Intel tun), sondern darauf, ihr bestehendes Produkt zu perfektionieren und ein sehr hohes Maß an Treue und Geschwindigkeit zu erreichen, wodurch es zu einem zuverlässigeren kommerziellen Produkt wird.

Die neueste Version, der 84‑Qubit‑Ankaa‑3, soll in der zweiten Hälfte des Jahres 2024 vorgestellt werden. Auf Basis des Ankaa‑Konzepts strebt das Unternehmen langfristig ein System mit über 336 Qubits an.

Quelle: Rigetti

Im Dezember 2023 begann Rigetti mit dem Verkauf des 9‑Qubit‑Systems Novera, eines „Mini‑Quantencomputers“, der für „nur“ 900.000 $ angeboten wird und eine Lieferzeit von 4–6 Wochen hat.

Zu den ersten Kunden gehörten das SQMS‑Center von Fermilab, das Air‑Force‑Research‑Lab und Horizon Quantum Computing.

Das Unternehmen kündigte im Frühjahr 2024 an, dass es dem Russell‑3000‑Index beitreten wird.

10. IPG Photonics

IPG ist ein Laserhersteller, der praktisch alle Laserarten produziert, darunter Faser‑, Dioden‑, UV‑ und Tief‑UV‑Laser. Mit 6.200 Mitarbeitenden versendet das Unternehmen jährlich über 42.000 Lasergeräte.

Seine Spezialität liegt in Faserlasern, die ein hohes Maß an Präzision bieten und Laserimpulse von nur einem Femtosekunden (ein Billiardstel einer Sekunde) erzeugen können.

IPG‑Laser werden derzeit verwendet für:

• Fortgeschrittene wissenschaftliche Anwendungen (Spektroskopie, Mikroskopie, Interferometrie, optisches Trapping usw.)
• Herstellung von Batterien und Elektromotoren für Elektrofahrzeuge.
• Materialbearbeitung, insbesondere Metallbearbeitung, Gravur, Reinigung und Laser‑3‑D‑Druck.
• Laser‑Mikrobearbeitung, bei der Laser zur Erzeugung ultrakleiner Strukturen eingesetzt werden.

Obwohl Fortschritte bei Photonik‑Chips erforderlich sein werden, um vollständig photonikbasierte Computer zu schaffen, wissen wir bereits, dass dabei ein bereits verbreiteter Bauteil – Laser – stark integriert wird.

Das Licht für photonisches Computing muss auf sehr stabilem, vom Laser ausgestrahltem Licht basieren. Daher würden Führende der Laserindustrie, wie IPG, von einem Boom in der Lasernachfrage profitieren, da die Halbleiterindustrie zunehmend auf Photonik umsteigt.

Und in diesem aufstrebenden Segment können ultra‑kurze Laserimpulse in ultra‑schnelle Rechenleistung umgewandelt werden.