Mit der fortschreitenden Digitalisierung drängen vernetzte Geräte in immer mehr Bereiche vor. Kritische Infrastrukturen, wie medizinische Versorgung und auch die Wasserversorung, sind jedoch auch von Cyberattacken betroffen. Ein deutsches Konsortium aus Industrie sowie Universitäts- und Wissenschaftsinstituten will diese Systeme künftig dank lichtbasierter Datenübertragung und -berechnung sicherer machen. In den kommenden drei Jahren soll das Projekt »Silhouette« (Silicon Photonics for Trusted Electronic Systems) dazu universell anwendbare Lösungen entwickeln. Das BMBF fördert das Projekt im Rahmen der Initiative »Vertrauenswürdige Elektronik« mit rund 12 Millionen Euro.

IoT wird immer wichtiger

Mit dem Internet of Things (IoT), deutsch Internet der Dinge, also der Vernetzung zahlreicher intelligenter physischer und virtueller Gegenstände, generieren bereits jetzt zahlreiche Applikationen Mehrwert für Industrie, Logistik und Wirtschaft. Bis zum Jahr 2025 wird eine Steigerung von 30 auf 75 Milliarden IoT-Geräte prognostiziert. Entsprechend wird weltweit an einer verbesserten Sicherheit dieser Anlagen gearbeitet, um sensible Daten vor einer missbräuchlichen Nutzung durch Dritte zu schützen. Dabei kommen unter anderem immer stärkere, hardwareunterstützte kryptografische Algorithmen zum Einsatz. Doch mit den stetig steigenden Kommunikationsgeschwindigkeiten entsteht hier ein zunehmend negatives Kosten- und Energiebudget. »Mit einer Erweiterung der siliziumbasierten Technologien um photonische, also Licht-basierte, Spezialkomponenten können wir diesem Dilemma begegnen«, erklärt Marcus Pietzsch, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden und Koordinator des Projekts Silhouette. Im Projekt soll daher eine universelle Plattformlösung zur Entwicklung solcher hybriden Systeme entstehen. Wesentlicher Kernpunkt ist es, sicherheitskritische elektrische Signale konsequent in optische Signale zu wandeln, weiter zu verarbeiten bzw. zu validieren und schließlich zurück zu wandeln. »Allein die photonischen Übertragungskanäle bieten hier den Vorteil, sowohl kaum manipulierbar als auch abhörsicher zu sein«, so Pietzsch weiter.

Komplette Wertschöpfungskette

Der vom Konsortium getragene hybride Ansatz erlaubt dabei weiterhin den Einsatz bereits bestehender sicherheitskritischer Komponenten von Drittanbietern, sodass die aktuelle Anwendungsbreite im Idealfall erhalten bleibt. Das Projekt umfasst dabei die komplette Wertschöpfungskette: Vom Design der elektrischen und optischen Komponenten über die Fertigung, Aufbau- und Verbindungstechnik bis hin zur Test- und Prüfmethodik. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der zeitnahen Anwendbarkeit der neuen Technologie. »Derzeit ist es noch schwierig, hybride elektro-optische Schaltungen kostengünstig und in großer Stückzahl zu produzieren«, sagt Pietzsch. Mithilfe der Expertise aller Projektpartner sollen deshalb Prototypen entstehen, die bereits Merkmale sicherer und massentauglicher Serienprodukte abbilden.

Vertrauenswürdigkeit und technologische Souveränität durch europäische Plattformlösung

Dabei wird die angestrebte elektro-optische (E/O) Plattformlösung im europäischen Wirtschaftsraum verortet, um eine Technologiesouveränität und Vertrauenswürdigkeit auch im Design- und Herstellungsprozess gewährleisten zu können. Im Gegensatz zur Mikroelektronik kann Deutschland im Bereich Photonik auch in der Breite einen Entwicklungsvorsprung ausweisen. »Um diesen Vorsprung zu erhalten und perspektivisch Souveränität in der Fertigung zu erreichen, müssen photonische Komponenten besser zugänglich sein. Die Voraussetzung dafür ist eine möglichst einfache, universelle Schnittstelle zu den bestehenden digitalen Komponenten, auf die auch weiterhin nicht verzichtet werden kann«, erläutert Pietzsch.

Das größte Marksegment für photonische Komponenten liegt derzeit im Bereich der Telekommunikation. Die bei »Silhouette« entwickelten photonischen Sicherheitstechnologien orientieren sich daher an den speziellen Sicherheitsanforderungen dieses Marktsegments. »Darüberhinausgehende Themenfelder wie etwa KI, Simulation und komplexe mathematische Optimierungsprobleme befinden sich entweder noch im Entwicklungs- bzw. Prototypenstadium oder werden als Kleinserien mit geringen Volumina gefertigt«, erklärt Pietzsch. »Das Konsortium sieht hier großes Potential, diese Technologien einer breiten Anwendergruppe zugänglich zu machen und gleichzeitig völlig neue Anwendungsfelder zu erschließen.«