Photonik „made in Germany“ Photonische Chips: Rechnen mit Licht für Cloud und KI

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GPUs sind sowas von gestern: Das Stuttgarter Start-up Q.ANT hat einen photonischen Prozessor entwickelt, der Rechenoperationen mit Licht durchführt. Die neue Technologie verspricht mehr Energieeffizienz für KI- und Cloud-Workloads – und könnte zum europäischen Exportschlager werden.

Der von Q.ANT entwickelte photonische Prozessor könnte die Datenübertragung und -verarbeitung für die Cloud und bei komplexen KI-Workloads revolutionieren. Denn Forscher weltweit suchen nach Alternativen zur herkömmlichen Hardware, um Cloud Computing und darauf basierende Anwendungen wie die künstliche Intelligenz (KI) schneller, effektiver und nicht zuletzt günstiger zu gestalten. Kürzlich haben wir Bio-Chips aus menschlichen Zellen vorgestellt, heute widmen wir uns photonischen Prozessoren. Sie führen komplexe, nichtlineare mathematische Operationen im optischen Bereich aus, umgangssprachlich „Licht“ genannt.

Rechnen mit Licht statt Elektronen

Einen solchen Prozessor präsentierte Q.ANT-CEO Michael Förtsch in Hamburg auf der 40. ISC, dem weltweit zentralen Event für High Performance Computing (HPC). Er enthält photonische Chips, so genannte Photonic Integrated Circuits (PICs), die auf Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) basieren. Das in Stuttgart beheimatete Start-up produziert dafür alles selbst, vom Wafer mit eigenem patentiertem Materialsystem bis hin zum Prozessor, und hat darüber hinaus nach eigenen Angaben einen nachhaltigen Weg für die Produktion dieser Chips gefunden.

Förtsch sieht photonisches Rechnen im Gespräch mit CloudComputing-Insider als den Schlüssel zur Überwindung der heutigen Grenzen bei der Berechnung von KI und anspruchsvollen Anwendungen des HPC: „KI geht weit über die großen Sprachmodelle hinaus. Die nächste Welle wird durch Simulationen, Bildanalysen und Bild-Klassifikationen geprägt. Das alles erfordert Rechenaufgaben, an denen heutige Chiptechnologien an physische und wirtschaftliche Grenzen stoßen: Die Rechenleistung stagniert, der Energiebedarf explodiert und die Kosten steigen.“

Analog statt digital: Ein neuer Rechenansatz für KI

Mit seinen photonischen Prozessoren will er dagegenhalten und der Computing-Welt die Tür zu mathematischen Funktionen aufschließen, mit denen Aufgaben viel effizienter und damit energiesparender berechnet werden können. Digital konnten diese Berechnungen bislang entweder gar nicht oder nur mit hohem Energieaufwand und übermäßig viel Rechenleistung durchgeführt werden, weil sie erst in riesige 0-1-Matrizen übersetzt werden müssen.

Der Q.ANT-Prozessor muss diese aufwändige Abstraktion nicht durchführen, denn er rechnet analog: „Wir berechnen mathematische Funktionen nativ, also direkt im Licht. Damit nutzen wir eine effizientere Mathematik, die weniger Datensätze benötigt,“ erklärte Förtsch. „Damit wiederum öffnen wir einen Weg zu rechenintensiverem Computing, das zudem skalierbar und nachhaltiger ist. Die Computerwelt verfügt nun über ein neues Werkzeug in ihrem Komponentensatz, das diese Aufgaben übernehmen wird.“ Er zeigte sich überzeugt, dass dieser „Sprung“ ein „transformativer“ ist.

Q.ANT präsentiert einsatzbereiten Photonik-Prozessor

In Hamburg konnten Messeteilnehmer praxisnah mit analogem photonischen Computing interagieren. Sie hatten die Möglichkeit, einem Server per iPad eine zufällig ausgewählte Frucht zu zeigen, der diese daraufhin korrekt identifizieren konnte. Falls das Schule macht, würde Licht zum Brandbeschleuniger für die KI und andere komplexe wissenschaftliche Aufgaben.

Die Technologie verspricht eine bis zu 30-mal höhere Energieeffizienz im Vergleich zu konventionellen Technologien und soll neue Leistungs-Benchmarks für die KI setzen: 16-Bit-Floating Point Präzision mit 99,7 Prozent Genauigkeit für alle Rechenoperationen auf dem Chip sowie 40 bis 50 Prozent weniger Rechenoperationen für gleichwertige Ergebnisse. Q.ANT ist nach Bekunden von Förtsch das erste Unternehmen der Branche, das diese Effizienz und Präzision in einem einsatzbereiten Produkt bietet.

Energieeffizienter als GPUs – mit deutscher Hardware

Die aktuelle Prozessorgeneration sei vollständig kompatibel mit x86-basierten Computern und könne mit Standard-Programmiersprachen wie Python oder C++ betrieben werden. Q.ANTs Kundengruppen sind Forschungs-Rechenzentren und Early Adopter, die sich mit neuen Computing-Technologien beschäftigen. In zwei Jahren plant Förtsch, die Technologie für die breite Anwenderschaft bereitzustellen, dann mit entsprechend höherer Leistung, die bei komplexen KI-Berechnungen die Leistung von heutigen GPUs übertreffen soll.

Sachsens „Silicon Valley“ als Sprungbrett für die Massenproduktion

Auch lässt sich die Technologie laut Förtsch sehr einfach in heute bereits bestehenden Chip-Werke produzieren, bestehende Linien könnten vergleichsweise unkompliziert umgerüstet werden. In Deutschland stehen davon ja einige herum, vorzugsweise im sogenannten „Silicon Saxony“ um Dresden. Dort (sowie in Regensburg und Warstein) produziert etwa Infineon Chips, die vor allem in den Bereichen Automobil, IoT und Sicherheitslösungen zum Einsatz kommen. Auch die Robert Bosch GmbH hat in Dresden (sowie Reutlingen) in die eigene Chip-Produktion investiert, um seine Abhängigkeit von externen Lieferanten zu verringern. Nicht zu vergessen X-FAB, eine sogenannte „Foundry“, die im Kundenauftrag Chips produziert. Der Hauptsitz liegt in Erfurt, aber auch in Dresden und Itzehoe wird gefertigt.

Auch das Werk von GlobalFoundries befindet sich in Dresden, es war ursprünglich von AMD eingerichtet worden. GlobalFoundries ist einer der weltweit größten Auftragsfertiger und verfügt bereits über eine eigene Plattform für die Produktion von Silizium-Photonik-Chips, genannt „GF Fotonix“. Die Plattform war erstmals 2022 vorgestellt worden, als sie für bis zu 100 Gigabit pro Sekunde pro Wellenlänge (100G/λ) über PAM4-Signalisierung ausgelegt war. Anfang des Jahres hatte GlobalFoundries ein neues Zentrum für fortschrittliche Verpackungs- und Testverfahren in New York angekündigt.

„Wir haben mit unserer Pilotlinie die Blaupause oder den sprichwörtlichen Kartoffelstempel für die Produktion von neuen Hochleistungschips geschaffen. Konsequent weiterentwickelt kann er zum Exportschlager in alle Länder dieser Welt werden,“ meint Förtsch. Dann sei es auch möglich, dass sich Europa im Bereich der Hochleistungschips selbst versorge.

Globaler Wettlauf um photonische Rechenkerne

Q.ANT ist ein spektakuläres Start-up, aber es ist, wie am Beispiel von AMD bereits geschildert, mit seiner Idee nicht allein. Weltweit sitzen Unternehmen am Bau von photonischen Chips, darunter Intel, Cisco, Huawei und IBM. Zu den spezialisierten Firmen und Foundries, die u.a. in Kooperation mit größeren Playern, an der ein oder anderen Spielart der Photonik forschen, zählen das US-amerikanische Start-up Ayar Labs, das sich auf optische Chip-zu-Chip-Verbindungen – so genannte Photonic Interconnects – konzentriert. Lightmatter wiederum entwickelt photonische Chips speziell für KI-Anwendungen und konzentriert sich mittlerweile ebenfalls zunehmend auf Interconnects.

Das 2012 in Eindhoven gegründete SMART Photonics hat eine AlQ-basierte InP-Photonik-Designplattform namens HS64AC entwickelt und bietet ein umfangreiches Prozessdesign-Kit. PsiQuantum und Xanadu waren ursprünglich im Bereich des Quantencomputings zu Hause, setzen dafür nun aber zunehmend auf photonische Chips. Endziel ist der Bau eines Quantencomputers.

Ein Quantensprung ins kalte Wasser

Programmieren für Quantencomputer

Forschung und Industrie vernetzen sich europaweit

Viele der Licht-Innovationen kommen auch aus der akademischen Welt. Zahlreiche US-Universitäten, darunter das MIT, treiben die Grundlagenforschung für photonische Schaltungen und neue Materialien voran. Der PhotonDelta-Verbund aus den Niederlanden koordiniert die Forschungsansätze von dortigen Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen wie der Technische Universität Eindhoven oder SMART Photonics. Das Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona ist ebenfalls ein vernetztes Forschungszentrum, das eine breite Palette von Photonik-Anwendungen bedient.

In Deutschland ist neben Q.ANT das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) in Sachen Photonik engagiert. Es ist ein Partner von Q.ANT, das im IMS CHIPS eine Pilotlinie für photonische KI-Prozessoren eingerichtet hat. Auch das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (HHI) ist ein wichtiger Akteur in der Forschung und Entwicklung von PICs. Damit ist klar, dass Licht keine heiße Luft ist, wenn es um neue Hardware für Cloud und KI geht.

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