Black Semiconductor: Wie Graphen-Photonik aus Aachen die Chipkommunikation verändern soll

Auf einen Blick

2020

Black Semiconductor wurde in Aachen gegründet und ging aus dem Umfeld der AMO GmbH hervor, einem Forschungsinstitut mit engen Verbindungen zur RWTH Aachen.

228,7 Millionen Euro

So hoch ist die öffentliche Förderzusage von Bund und Land im Rahmen des europäischen IPCEI-Programms für Mikroelektronik und Kommunikationstechnologien. Nordrhein-Westfalen beteiligt sich daran mit 70 Millionen Euro.

25,7 Millionen Euro

Diese Summe erhielt das Unternehmen 2024 zusätzlich als privates Eigenkapital.

300 Millimeter

FabONE soll auf Wafer dieses industriell relevanten Formats ausgerichtet werden und Elektronik mit Graphen-Photonik verbinden.

2027

Nach dem im März 2026 veröffentlichten Zeitplan von Black Semiconductor soll dann die Pilotproduktion beginnen.

Wenn über die Leistungsfähigkeit moderner Computer gesprochen wird, richtet sich der Blick häufig auf einzelne Prozessoren. Wie viele Rechenkerne besitzt ein Chip? Wie klein sind seine Transistoren? Wie viele Berechnungen kann er in einer Sekunde ausführen?

Bei großen KI-Systemen reicht diese Perspektive nicht mehr aus.

Solche Systeme verteilen ihre Aufgaben auf zahlreiche Prozessoren und Beschleuniger. Damit daraus ein leistungsfähiges Gesamtsystem entsteht, müssen die einzelnen Bauteile fortlaufend große Datenmengen austauschen. Die Verbindung zwischen den Chips wird dadurch selbst zu einem entscheidenden Teil der Rechenarchitektur.

Die zentrale Frage lautet deshalb nicht mehr nur: Wie schnell kann ein einzelner Chip rechnen?

Sie lautet auch: Wie schnell und effizient können viele Chips miteinander kommunizieren?

Genau an dieser Stelle setzt Black Semiconductor an. Das Unternehmen möchte Daten teilweise optisch statt ausschließlich über elektrische Verbindungen übertragen. Licht soll dabei nicht die Berechnung übernehmen, sondern die Kommunikation zwischen elektronischen Bauteilen unterstützen. Wissenschaftliche Übersichtsarbeiten beschreiben integrierte Photonik seit Jahren als möglichen Weg zu hohen Datenraten und einem geringeren Energiebedarf bei bestimmten Verbindungsaufgaben.

Graphen soll Silizium nicht ersetzen

Der Begriff „Graphen-Chip“ kann leicht einen falschen Eindruck vermitteln. Black Semiconductor arbeitet nicht daran, klassische Siliziumprozessoren vollständig durch Graphen zu ersetzen.

Der Ansatz ist ergänzend.

Elektronische Schaltungen auf Siliziumbasis sollen weiterhin rechnen. Graphen soll dort eingesetzt werden, wo elektrische und optische Signale ineinander umgewandelt werden müssen. Das Material besteht aus einer einzigen Lage miteinander verbundener Kohlenstoffatome und besitzt Eigenschaften, die es für optoelektronische Anwendungen interessant machen.

Nach dem Konzept von Black Semiconductor soll Graphen zwei Aufgaben übernehmen: Als Modulator überträgt es elektrische Informationen auf ein Lichtsignal. Als Photodetektor wandelt es das ankommende Licht wieder in ein elektrisches Signal um. Das Licht selbst wird durch optische Wellenleiter geführt.

Die Innovation liegt damit nicht in einem einzelnen „Wundermaterial“. Sie liegt in der geplanten Verbindung verschiedener Funktionen innerhalb eines gemeinsamen Halbleiterprozesses. Elektronik und Photonik sollen möglichst eng zusammenarbeiten, ohne dass dafür vollständig getrennte Systeme aufgebaut werden müssen.

Die wissenschaftliche Grundlage existiert bereits

Graphen-Photonik beginnt nicht erst mit dem Aufbau von FabONE. Forschungsgruppen untersuchen das Material seit Jahren für optische Modulatoren, Detektoren und integrierte Kommunikationssysteme.

Eine 2018 in Nature Reviews Materials veröffentlichte Übersichtsarbeit beschreibt unter anderem das Potenzial für hohe Bandbreitendichten und einen niedrigen Energieverbrauch. Gleichzeitig benennt sie die eigentliche Schwierigkeit: Aus einzelnen erfolgreichen Bauteilen müssen reproduzierbare Fertigungsprozesse werden, die auf ganzen Wafern funktionieren.

Dass Graphen-basierte photonische Bauteile grundsätzlich in eine 300-Millimeter-CMOS-Umgebung integriert werden können, zeigte 2023 eine Arbeit unter Beteiligung des belgischen Forschungszentrums imec. Die Forschenden untersuchten Hunderte Graphen-Modulatoren pro Wafer und konnten nach einer Prozessoptimierung eine hohe Ausbeute erreichen.

Diese Ergebnisse bestätigen jedoch nicht automatisch das vollständige System von Black Semiconductor. Sie zeigen vielmehr, dass wichtige Bausteine der Graphen-Photonik den Schritt von kleinen Laborproben in industriell relevante Prozessumgebungen grundsätzlich bewältigen können.

FabONE soll den Übergang in die
Fertigung ermöglichen

Im März 2026 teilte Black Semiconductor mit, dass der Bau von FabONE begonnen habe. Die Anlage entsteht in einer früheren Automobilhalle in Aachen. Für die zweite Jahreshälfte 2026 ist nach dem damaligen Unternehmenszeitplan die Installation wichtiger Fertigungsanlagen vorgesehen. Die Pilotproduktion soll 2027 anlaufen.

Black Semiconductor bezeichnet FabONE als weltweit erste 300-Millimeter-Halbleiterfertigung, die speziell auf zweidimensionale Materialien ausgerichtet sei. Außerdem soll sie nach Darstellung des Unternehmens erstmals Elektronik und Graphen-Photonik in einem gemeinsamen Produktionsfluss verbinden.

Diese Aussagen müssen präzise eingeordnet werden.

Graphen-basierte photonische Bauteile wurden bereits zuvor auf 300-Millimeter-Plattformen erprobt. Der von Black Semiconductor beanspruchte Neuheitswert bezieht sich daher nicht auf die erste Verarbeitung von Graphen auf einem Wafer dieser Größe. Er liegt nach Unternehmensangaben in einer eigens dafür aufgebauten Anlage und in der umfassenden Integration elektronischer und photonischer Funktionen in einen gemeinsamen Fertigungsprozess.

Auch der offizielle Projektsteckbrief des Bundeswirtschaftsministeriums beschreibt das Vorhaben nicht als bereits bestehende Großserienproduktion. Das Projekt BRAPHE ist als Forschungs- und Entwicklungsvorhaben mit einer Pilotlinie angelegt. Seine Laufzeit reicht von März 2024 bis Dezember 2030.

Öffentliche Förderung und privates Kapital

Für das Projekt erhält Black Semiconductor eine öffentliche Förderzusage von rund 228,7 Millionen Euro. Davon trägt Nordrhein-Westfalen 70 Millionen Euro. Die Förderung erfolgt im Rahmen des europäischen IPCEI-Programms für Mikroelektronik und Kommunikationstechnologien. Es soll Forschung, industrielle Entwicklung und den Aufbau strategischer Wertschöpfungsketten in Europa unterstützen.

Hinzu kamen 2024 rund 25,7 Millionen Euro privates Eigenkapital. An dieser Finanzierung beteiligten sich unter anderem Porsche Ventures, Project A Ventures, Scania Growth Capital und die NRW.BANK.

Insgesamt werden deshalb häufig 254,4 Millionen Euro genannt. Diese Summe sollte jedoch nicht als eine einzelne private Finanzierungsrunde dargestellt werden. Sie setzt sich aus der mehrjährigen öffentlichen Förderzusage und dem privaten Eigenkapital zusammen.

Die Größenordnung macht deutlich, wie anspruchsvoll der Übergang von der Forschung zur Halbleiterfertigung ist. Eine überzeugende Laboranwendung genügt nicht. Benötigt werden Reinräume, spezialisierte Anlagen, kontrollierte Materialien, reproduzierbare Prozessschritte und eine Qualitätssicherung, die sehr große Stückzahlen ermöglichen kann.

Die entscheidende Bewährungsprobe
steht noch aus

Die physikalische Eignung von Graphen für photonische Bauteile wurde in verschiedenen Forschungsarbeiten untersucht. Auch die Integration einzelner Graphen-Komponenten in CMOS-nahe Fertigungsprozesse wurde bereits demonstriert.

Damit ist die industrielle Aufgabe jedoch noch nicht abgeschlossen.

Entscheidend wird sein, ob Black Semiconductor den geplanten Prozess dauerhaft und reproduzierbar betreiben kann. Dazu gehören eine ausreichende Ausbeute auf vollständigen Wafern, gleichbleibende Materialqualität, zuverlässige Bauteile, beherrschbare Produktionskosten und eine Integration in die Systeme späterer Kunden.

Auch die tatsächlichen Verbesserungen bei Bandbreite und Energieverbrauch müssen auf Ebene vollständiger Systeme nachgewiesen werden. In den öffentlich zugänglichen Quellen finden sich bislang vor allem Projektziele, technische Konzepte und Ergebnisse zu einzelnen Bauteilen. Unabhängige Systemvergleiche für den vollständigen FabONE-Prozess liegen noch nicht öffentlich vor.

Aussagen über deutlich schnellere, energieeffizientere oder günstigere Computersysteme sind deshalb derzeit als Ziel der Entwicklung zu verstehen – nicht als bereits abschließend belegte Produkteigenschaft. Die Pilotproduktion soll genau jene Daten liefern, die für eine belastbare Bewertung benötigt werden.

Warum die Entwicklung aus Aachen
dennoch relevant ist

Black Semiconductor wurde 2020 aus dem Forschungsumfeld der AMO GmbH heraus gegründet. Damit steht das Unternehmen beispielhaft für eine Herausforderung, die viele europäische Technologieprojekte betrifft: Hervorragende Forschung allein schafft noch keine industrielle Wertschöpfung.

Zwischen einer wissenschaftlichen Entdeckung und einem marktfähigen Produkt liegt häufig die schwierigste Phase. Verfahren müssen skaliert, Anlagen aufgebaut, Fachkräfte gewonnen und erste Kunden von der Zuverlässigkeit einer neuen Technologie überzeugt werden.

In Aachen wird nun versucht, genau diese Lücke zu schließen.

Die relevante Innovation ist deshalb nicht allein Graphen. Sie liegt auch im Aufbau einer Struktur, die Forschung in einen kontrollierten und industriell anschlussfähigen Prozess überführen soll. FabONE verbindet Materialwissenschaft, Photonik, klassische Halbleitertechnik und den Aufbau einer neuen europäischen Fertigungskompetenz.

Ob daraus eine wirtschaftlich erfolgreiche Technologie entsteht, ist noch offen. Doch genau darin liegt die Bedeutung der kommenden Phase.

Die ersten Wafer werden nicht nur zeigen müssen, ob das Verfahren technisch funktioniert. Sie müssen zeigen, ob es sich wiederholen, skalieren und in reale Computersysteme integrieren lässt.

Innovation zeigt sich nicht daran, wie weit ein Versprechen in die Zukunft reicht. Sie zeigt sich daran, ob aus einer guten Idee ein belastbarer Prozess entsteht.

Für Black Semiconductor soll dieser Nachweis ab 2027 beginnen.

Quellen: Black Semiconductor: „FabONE construction begins: what we’re building and why“ (2026) und „We secured EUR 254.4 million in funding“ (2024); Bundesministerium für Wirtschaft: Projektsteckbrief „Errichtung einer FuE-Linie für neuartige photonische Technologien (BRAPHE)“; Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie Nordrhein-Westfalen: „Aachener Start-up Black Semiconductor erhält Förderbescheid“ (2024); Romagnoli et al.: „Graphene-based integrated photonics for next-generation datacom and telecom“, Nature Reviews Materials (2018); Wu et al.: „Wafer-Scale Integration of Single Layer Graphene Electro-Absorption Modulators in a 300 mm CMOS Pilot Line“, Laser & Photonics Reviews (2023); RWTH Aachen: „Die nächste Generation Computerchips ist Made in Aachen“ (2026).

KI-Transparenz