Rechnen mit Licht: Natives Computing Unter der Haube des photonischen KI-Beschleunigers von Q.ANT

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Q.ANT, das Start-up aus dem Schwabenländle, schlägt mit dem ersten kommerziell verfügbaren photonischen Chip der Welt – im doppelten Sinne – Wellen. Q.ANTs NPU rechnet durchgängig mit Licht und setzt mit ihrer nativen Parallelität neue Maßstäbe in Sachen Energieeffizienz und Leistung. Sie soll der Industrie den Weg in eine hocheffiziente, nachhaltige KI-Zukunft ebnen.

Durch seine einzigartige Kontrolle der gesamten Wertschöpfungskette vom Wafer bis zu den fertigen Prozessoren und tiefes Photonik-Know-how erreicht Q.ANT eine mathematische und algorithmische Dichte, die die herkömmliche CMOS-Technologie in den Schatten stellt. Wie es die Schwaben zu sagen pflegen: „Dr Hamma!“ Die Technologie adressiert rechenintensive Anwendungen wie KI-Training, physikalische Simulationen und Echtzeitdatenanalysen.

Im November hat Q.ANT sein erstes kommerzielles Produkt vorgestellt – eine photonische NPU (kurz für Native Processing Unit) in firmeneigener LENA-Architektur (kurz für Light Empowered Native Arithmetics) – die Krönung der Entwicklungsarbeit seines Teams seit der Unternehmensgründung im Jahr 2018.

Tests des NPU-Demosystems mit MNIST-Datensätzen (handschriftliche Ziffernerkennung) zeigten eine vergleichbare Genauigkeit zu linearen Netzwerken bei geringerem Stromverbrauch. In einer Live-Demonstration erreichte die NPU eine Erkennungsgenauigkeit von 95 Prozent für handschriftliche Zahlen, wobei die zugrundeliegende Matrix-basierte Vektor-Multiplikation photonisch erfolgte.

Simulationen mit Kolmogorov-Arnold-Netzwerken (KAN) ergaben eine Reduktion der benötigten Parameter um 43 Prozent und der Rechenoperationen um 46 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen. Für die Erkennung von Van Goghs Sternennacht brauchte die NPU nur 0,1 Millionen Parameter und 0,2 Millionen Operationen, während herkömmliche GPUs erst mit 5,1 Millionen Parametern und in 10 Millionen Operationen die Aufgabe meistern.

Native Computing erblickt das Licht der Welt

Photonische Chips rechnen mit Licht (Photonen) statt mit Elektronen. Dadurch können sie in der Bandbreite von einigen Dutzend GHz takten, während digitale Prozessoren bei geringen einstelligen GHz-Werten Schluss machen. Bereits aufgrund der höheren Taktfrequenz können photonische Chips eine höhere Anzahl von Rechenoperationen pro Sekunde durchführen. Doch ihr wahrer Vorteil liegt in der nativen Parallelität.

Um Berechnungen durchzuführen, können photonische Chips mehrere Wellenlängen des Lichts gleichzeitig nutzen. Dieses sogenannte Wellenlängenmultiplexing ist besonders bei komplexen mathematischen Operationen von Vorteil. Mehrere Lichtwellenlängen werden hierzu in denselben optischen Wellenleitern geführt und separat moduliert.

Jede Wellenlänge repräsentiert einen eigenen Datenkanal. Dadurch können mehrere Berechnungen simultan ablaufen. Q.ANT spricht hierbei von nativer Parallelität (Stichwort: „Native Computing“).

Ein Fourier-Transform-Algorithmus, der in herkömmlicher Technik Millionen von Transistoren benötigt, lässt sich so mit einem einzigen optischen Bauteil realisieren.

Bei Q.ANT ist die gesamte Prozesskette – vom photonischen Chip über die Ansteuerung bis hin zur Software und Algorithmik – auf die Lösung komplexer Funktionen mit Elementarteilchen des Lichts statt mit elektrischen Impulsen abgestimmt. Algorithmen wie Fourier-Transformationen werden direkt durch Lichtinterferenz in passiven Bauteilen ausgeführt – ohne Energieverluste durch Elektronik.

Der Ansatz bietet sich zur Lösung hochdimensionaler Datenverarbeitungsprozesse, komplexer Optimierungsaufgaben oder Mustererkennung in Anwendungen künstlicher Intelligenz, des maschinellen Lernens oder großer Datenanalysen an.

Q.ANT setzt in seinem photonischen Beschleuniger auf die innovative TFLN-Technologie (Thin-Film Lithium-Niobate, also auf Lithium-Niobat-Dünnfilmchips) für die präzise Lichtsteuerung auf Chip-Ebene.

Die TFLN-Technologie ermöglicht eine ultraschnelle optische Signalmanipulation bei mehreren GHz, ohne dass Wärme zur Modulation des Lichts auf dem photonischen Schaltkreis erforderlich ist.

Vorzüge von Z-cut-Lithiumniobat: ins rechte Licht gerückt

Der PIC verdankt seine herausragende Leistung den einzigartigen Eigenschaften von Lithiumniobat, aber auch den anderen bahnbrechenden Designentscheidungen von Q.ANT.

Die starke Wechselwirkung zwischen elektrischen Feldern und Lichtwellen in Z-cut-Lithiumniobat vereinfacht die Lichtmodulation im GHz-Bereich. Das Material trumpft mit ultraniedrigen elektrooptischen Modulationsverlusten von unter 0,01 dB/cm auf. Der elektrooptische Effekt in Z-cut-LN erlaubt eine hohe Modulationswirkung bei minimaler optischer Einfügungsdämpfung. Dadurch eignet sich das Material hervorragend für komplexe langstreckenbasierte Schaltkreise (darunter verzögerungslineare Systeme).

Der hohe Brechzahlkontrast ermöglicht dicht gepackte Wellenleiter mit Biegeradien unter 100 µm. Diese Eigenschaft reduziert die Baugröße. Das bemerkenswerte Design des photonischen Schaltkreises von Q.ANT bringt noch weitere Vorteile.

Mit Diamant-ähnlichem Kohlenstoff (DLC) als Ätzmaske realisiert Q.ANT optische Propagationsverluste von weniger als 5 dB/m – ein Rekordwert – bei gleichzeitiger Präzision im Sub-Mikrometer-Bereich. Diese Verluste entstehen durch Oberflächenrauigkeit (Streuung), Materialabsorption im Lithiumniobat und Strahlungsverluste in gebogenen Wellenleitern.

Für kurze aktive Komponenten (Modulatoren, Filter) dominieren die niedrigen Modulationsverluste. Auf langen passiven Strecken (Delay-Lines, Spiralen) überwiegen die Propagationsverluste. Q.ANT kombiniert beide Vorteile durch hochpräzise Ätzprozesse für glatte Wellenleiterwände zur Reduktion der Propagationsverluste und monolithische Integration aktiver/passiver Komponenten zu Minimierung von Kopplungsverlusten.

Diese Architektur ermöglicht komplexe Schaltkreise, bei denen die Gesamtverluste durch geschicktes Design unter 10 dB bleiben. Dies ist ein entscheidender Faktor für energieeffiziente KI-Hardware.

„Vor sechs Jahren haben wir eine mutige Wette auf Thin-Film Lithium Niobat abgeschlossen, und heute verschafft uns diese Entscheidung einen bedeutenden Vorteil“, beobachtet Dr. Michael Förtsch, CEO von Q.ANT. „Durch die Kombination unserer Photonik-Expertise mit unserer durchgängigen Kontrolle der Wertschöpfungskette – vom Rohmaterial bis zum fertigen Prozessor – sind wir einzigartig positioniert.“

Rechnen mit Lichtgeschwindigkeit: ein kleines Leistungswunder

Die NPU von Q.ANT verbessert die Rechenleistung um den Faktor 50 gegenüber herkömmlichen CMOS-Chips – des isch der Oberhammer! Gleichzeitig steigert sie die Energieeffizienz um den Faktor 30x. (Da legsch di nieder.)

Sie ist für den Einsatz in bestehenden Rechenumgebungen konzipiert und vollständig kompatibel mit PCI Express. Q.ANT liefert die NPU als eine PCIe-Steckkarte, die sich nahtlos in herkömmliche Server-Umgebungen integrieren lässt.

„Mit unserer photonischen Chiptechnologie, die jetzt über die standardisierte PCIe-Schnittstelle verfügbar ist, bringen wir die unglaubliche Leistung der Photonik direkt in reale Anwendungen“, freut sich Michael Förtsch, der CEO von Q.ANT GmbH.

Förtsch hat sich während seiner Promotion am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen mit der Grundlagenforschung zu allen Aspekten der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und mit deren Anwendungen befasst. Nach einem achtmonatigen Einsatz beim U.S.-Amerikanischen NIST hat es ihn als Stipendiat und wissenschaftlicher Mitarbeiter für knapp über fünf Jahre wieder an das heimische Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts gezogen.

Mit gut drei und ein Drittel Jahren als Consultant für Corporate Development und Assistent des Chief Technology Officer (CTO) und als stellvertretender Vorsitzende der Geschäftsführung bei der TRUMPF GmbH + Co. KG im heimischen Ditzingen nordwestlich von Stuttgart hat Förtsch wertvolle Hands-on-Praxiserfahrungen gewinnen können. Nach dem Programmausschuss Quantensysteme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMFB) kam es zur Gründung der Q.ANT GmbH. Heute beschäftigt die Stuttgarter KI-Chipschmiede bereits mehr als 100 Mitarbeiter.

Kernkomponenten und Funktionsweise

Q.ANT hat im vergangenen November den ersten Native Processing Server (NPS) mit einem photonischen NPU-Prozessor vorgestellt. Die Maschine ist ein handelsübliches 19”-4U Rack-System im Plug-&-Play-Design zur einfachen Integration in Rechenzentren und HPC-Umgebungen für AI Inference und komplexe Datenverarbeitung.

Der Native Processing Server kombiniert einen photonischen Schaltkreis (PIC) auf Basis von Lithiumniobat (LiNbO3) auf einem Isolator im Z-Schnitt (Z-cut LNoI) mit konventioneller Elektronik in einer PCIe-Karte. Die photonischen Chips von Q.ANT integrieren optische Wellenleiter, Modulatoren, Resonatoren und andere Bausteine in einem Rundumglücklich-Paket.

Die Host-CPU sendet Eingabedaten (z. B. Bildpixel oder Sprachsignale) über die PCIe-Schnittstelle an den NPS. Möglich macht es das Q.ANT Toolkit, eine Software, die nahtlos in gängige KI-Frameworks (TensorFlow, PyTorch) integriert ist.

Die Elektronik des NPS wandelt die Daten nicht direkt in Steuerspannungen um, sondern führt erst einmal die sogenannte Quantisierung durch, also eine Konvertierung in 8-Bit-Integer-Format für die optische Darstellung, und generiert dann phasenkohärente Steuersignale für die Modulatoren zur präzisen Kontrolle der Interferenzmuster. Die Eingabedaten werden so vor der Übertragung in optisch verarbeitbare Tensoren zerlegt, um die Parallelität des PIC optimal auszunutzen.

Die eigentliche Berechnung erfolgt nativ im PIC. Optische Operationen umfassen Matrixmultiplikation via interferometrischer Gitterstrukturen und nicht-lineare Aktivierungsfunktionen, die sich optische Sättigungseffekte in Mikroringresonatoren zu Nutze machen.

Integrierte Germanium-Photodetektoren wandeln das optische Signal zurück in elektrische Impulse. Ein Hochgeschwindigkeits-ADC digitalisiert das Ergebnis. Dieses wird dann via PCIe an die CPU zurückgesendet. So bringt es der native photonische Beschleuniger auf eine Leistung von 100 Millionen photonische Rechenoperationen pro Sekunde.

Der photonische Beschleuniger in dem NPS-Server verbraucht gerade einmal 30 Watt pro NPU-PCIe-Karte, wobei die optische Domäne gerade einmal ~5 W in Anspruch nimmt. Dies hängt damit zusammen, dass hier nur Photonen und kein Strom direkt durch den Schaltkreis fließen. So kommt die Karte mit passiver Kühlung aus. Kombiniert mit höherer Leistung und Rechendichte führt dies zu signifikanten Energieeinsparungen pro Rechenoperation.

Ein besonderes Highlight ist die Fähigkeit des photonischen Beschleunigers zur Echtzeit-Kalibrierung. Der NPS nutzt nämlich Closed-Loop-Systeme, um thermische Drifts in den Wellenleitern während des Betriebs zu kompensieren.

In Zukunft ist der NPS mit zusätzlichen NPUs aufrüstbar.

„Schaffe, schaffe“: Grünes Licht für energieeffiziente KI

Q.ANT hat im November eine Pilotproduktionslinie für photonische KI-Chips am Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) gestartet. In dieser modernisierten CMOS-Fabrik produziert Q.ANT die PICs auf TFLN-Wafern. Die Fertigungsstätte hat eine Kapazität von bis zu 1.000 Wafern pro Jahr.

Die mit 14 Millionen Euro modernisierte Anlage upcycelt bestehende Infrastruktur. Die Schwaben nutzen so vorhandene CMOS-Fertigungsstrecken in Verbindung mit eigenen patentierten photonischen Prozessen. „Diese Pilotlinie am IMS CHIPS beweist, dass transformative Technologien auf der bestehenden Infrastruktur optimal genutzt werden und als Blaupause für die Zukunft des energieeffizienten Computings der nächsten Generation dienen können“, erklärt Prof. Dr. Jens Anders, Direktor und CEO von IMS CHIPS.

„Mit dieser Pilotlinie beschleunigen wir die Markteinführung [der NPU] und legen den Grundstein für eine Zukunft, in der photonische Prozessoren zu Standard-Co-Prozessoren im Hochleistungsrechnen werden,“ sagt Dr. Michael Förtsch, CEO von Q.ANT.

Q.ANT kontrolliert die gesamte Wertschöpfungskette vom Wafer bis zum fertigen PCIe-Modul.

„Der Start dieser Pilotlinie ist eine wunderbare Nachricht für Baden-Württemberg und für Deutschland,“ kommentierte die baden-württembergische Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut.

Diese Pilotlinie ist ein Leuchtturmprojekt für die kosteneffiziente Modernisierung von Halbleiterfabriken weltweit und für die souveräne Chipproduktion. „Diese Herangehensweise ermöglicht es prinzipiell jedem Land, sich in der KI-Chipfertigung unabhängig zu machen und gleichzeitig energieeffiziente Chiplösungen zu produzieren“, erklärte Dr. Förtsch.

Erste Tests haben gezeigt, dass sich der Rechenaufwand bei ML-Anwendungen durch den Einsatz der Q.ANT NPU signifikant verringern lässt – etwa bei der Reduktion von Parametern und Operationen für neuronale Netzwerke, einer schnelleren Modell-Training für LLMs oder der effizienteren Lösung rechenintensiver Aufgaben im Vergleich zu klassischen CMOS-Systemen.

Der neuartige photonische Rechenansatz von Q.ANT sei „ein bahnbrechender Schritt zur Bewältigung der steigenden Energieanforderungen des KI-Zeitalters“, kommentiert Dr. Eric Mounier, Hauptanalyst für Photonik und Sensorik bei Yole Group, einer französischen Strategieberatung für Halbleiterlieferketten. „Diese neue Prozessorgeneration eröffnet erstmals Zugang zu überlegenen mathematischen Operationen, die auf herkömmlichen GPUs zu energieintensiv waren,“ erläutert Dr. Mounier weiter.

Das Forschungsinstitut Gartner hat Q.ANT in drei seiner Hype-Cycle-Berichten des vergangenen Jahres (2024) als „Sample Vendor“ anerkannt.

Fazit

Q.ANT hat sich kompromisslose Energieeffizienz auf die Fahnen geschrieben und will native photonische Recheneinheiten bis zum Jahre 2030 als Standard-Coprozessoren in Hochleistungsrechenzentren etablieren. Zwar hat das Unternehmen nach sechs und drei Viertel Jahren immer noch die eine oder andere Herausforderung vor sich, doch mit seiner revolutionären NPU, dem ersten kommerziellen photonischen Chip der Welt, setzt es bereits heute neue Maßstäbe und stellt die Weichen für energieeffiziente Hochleistungs-KI.“ (mbf)

* Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins arbeiten für McKinley Denali, Inc., USA.

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