Rechnen mit Licht Weltweit erster photonischer KI-Rechner geht am Leibniz-Rechenzentrum in Betrieb

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Der weltweit erste photonische KI-Rechner am Leibniz-Rechenzentrum nutzt die Leistungsfähigkeit des Q.ANT Native Processing Servers für komplexe KI- und wissenschaftliche Anwendungen. Es ist ein Meilenstein für energieeffiziente High-Performance-Computing- (HPC-)Systeme.

Photonische Techniken können die Elektronikentwicklung grundlegend verändern. Die klassische Elektronik-Welt basiert auf den Fluss von Elektronen durch Halbleiter. Ein typischer Vertreter ist der Transistor. Ganz anders bei der Photonik. Hier ist Licht das Herzstück der Datenverarbeitung. Der Vorteil von Photonik ist weniger ungewollte Abwärme, weniger Einsatz von Energie und Informationen lassen sich mit Lichtgeschwindigkeit übertragen.

Solch eine neue Dimension der Datenverarbeitung eröffnet sich mit der Inbetriebnahme des weltweit ersten photonischen KI-Rechners im Leibniz-Rechenzentrum (LRZ). Entwickelt von Q.ANT, einem Vorreiter in der photonischen Prozessorentwicklung, führt der Native Processing Server (NPS) zu einer erheblichen Reduzierung des Energieverbrauchs bei gleichzeitiger Steigerung der Rechenkapazität.

Der Native Processing Server (NPS) von Q.ANT

Der NPS zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, Berechnungen mit Licht statt mit elektrischen Strömen durchzuführen. Dies führt zu einem um 90 % reduzierten Energieverbrauch und einer Erhöhung der Rechenleistung um das 100-fache, verglichen mit traditionellen Prozessorbauweisen. Besonders für Elektronikentwickler sind die folgenden technischen Details von Bedeutung:

• Geringere Wärmeentwicklung: Da photonische Chips keine Wärme produzieren, entfällt der Bedarf an aufwendigen Kühlsystemen. Dies spart Energie und ermöglicht kompaktere Designs.

• Hochleistung und Präzision: Der NPS erreicht eine 16-Bit-Gleitkommagenauigkeit mit nahezu 100%iger Genauigkeit bei allen Rechenoperationen.

• Nahtlose Integration: Die photonischen Prozessoren sind durch PCIe-Schnittstellen sowie vollständige x86-Kompatibilität problemlos in bestehende Systeme integrierbar. Zudem unterstützen sie gängige KI-Frameworks wie PyTorch, TensorFlow und Keras.

„Photonische Prozessoren bieten einen neuartigen und vielversprechenden Weg, um KI- und Simulations-Workloads zu beschleunigen und gleichzeitig unseren ökologischen Fußabdruck deutlich zu verringern. Mit diesem Praxiseinsatz kommen wir unserem Ziel entscheidend näher, energieeffiziente Infrastrukturen für Supercomputing und KI zu etablieren“, sagt Prof. Dr. Dieter Kranzlmüller, Vorsitzender des Direktoriums des LRZ. „Der NPS von Q.ANT lässt sich leicht in unsere bestehende Infrastruktur integrieren, wir können ihn sofort in praktischen Szenarien bewerten. Die Erforschung von Rechenarchitekturen der Zukunft zusammen mit Partnern wie Q.ANT wäre jedoch ohne die kontinuierliche politische Unterstützung, die wir seit Jahren sowohl auf nationaler als auch auf bayerischer Ebene erhalten, nicht möglich.“

Bedeutung für die Elektronikentwicklung

Für Elektronikentwickler eröffnen photonische Prozessoren neue Möglichkeiten in der Gestaltung und Optimierung von Hochleistungsrechnern (HPC). Die hybride Nutzung digital-analoger Architekturen ist besonders relevant für Anwendungen wie KI-Inferenz, Computer Vision und Physiksimulationen. Diese Fortschritte ebnen den Weg für energieeffiziente Supercomputing-Infrastrukturen, die gerade in der aktuellen Diskussion um nachhaltige Technologieentwicklung von zentralem Interesse sind.

Mit der weiteren Erprobung und Anpassung der photonischen Technologien wird erwartet, dass photonische Prozessoren bis 2030 eine Schlüsselrolle in der Mainstream-Computerarchitektur der nächsten Generation spielen werden. Elektronikentwickler können von diesen Entwicklungen profitieren, indem sie sich frühzeitig mit den Potenzialen und Implementationsmöglichkeiten der photonischen Technologien auseinandersetzen.

Das Projekt, gefördert durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt, zeigt die herausragende Rolle Deutschlands in der Entwicklung neuer Technologien. Es positioniert elektronische Entwicklungsfirmen an der Spitze der internationalen Technikentwicklung, insbesondere im Bereich der Post-CMOS-Technologien. (heh)

Photonisches Rechnen

Erster kommerzieller Photonik-Prozessor für energieeffizientes High-Performance-Computing

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