Hochleistungsdatenverarbeitung: Wenn Licht den Strom ersetzt
Der Hunger nach Rechenleistung wächst weiter exponentiell. Das erfordert neuartige Netzwerk-Architekturen. Optische Netze sind im Kommen.
Glasfaserkabel
Foto: Smarterpix.com/3dkombinat
Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) geht jetzt ein neuartiges Testsystem in den Regelbetrieb, das photonische Prozessoren direkt mit klassischer Hardware kombiniert. Auch an der Technischen Universität München gelingen Durchbrüche für optische Netze der Zukunft. Optische Komponenten entwickeln sich damit von theoretischen Laboraufbauten zu praxisnahen Bausteinen moderner Rechenzentren.
Grenzen der elektrischen Übertragung
Von der Optimierung komplexer Lieferketten über die Steuerung intelligenter Stromnetze bis hin zum Training künstlicher Intelligenz: Der weltweite Hunger nach Rechenleistung wächst weiter exponentiell. Bisherige Siliziumchips verarbeiten Daten durch die Bewegung von Elektronen. Diese elektrische Signalübertragung stößt jedoch zunehmend an fundamentale Grenzen. Wenn Milliarden winziger Schalter auf engstem Raum unter hoher Frequenz arbeiten, entsteht enorm viel Wärme. Ein beträchtlicher Teil der zugeführten Energie kann ungenutzt als Abwärme verloren gehen, zumal viele Groß-Rechenzentren weit abseits nennenswerter, menschlicher Siedlungen stehen. Die Kühlung moderner Datencenter wird immer aufwendiger.
Um diese Barrieren zu überwinden, gewinnen Ansätze an Bedeutung, die Licht anstelle von elektrischem Strom zur Informationsverarbeitung nutzen. Photonische Prozessoren leiten Daten in Form von Lichtimpulsen durch optische Waveguides. Da Photonen ohne die typischen Widerstände elektrischer Leiter „reisen“, verbrauchen sie bei der Signalübermittlung kaum Energie und erzeugen nahezu keine Wärme. Zudem ermöglichen optische Frequenzen eine parallele Datenverarbeitung mit extrem hohen Bandbreiten.
Testfeld für die hybride Datenverarbeitung
Das KIT nutzt diese physikalischen Vorteile nun in einer realen Systemumgebung. Mit der Inbetriebnahme eines dedizierten Testsystems für photonisches Rechnen wollen die Forschenden dort untersuchen, wie optische Hardware rechenintensive Aufgaben beschleunigen kann. Das Vorhaben erhält finanzielle Unterstützung vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt, das den Aufbau mit rund 4,3 Millionen Euro fördert. Die eigentliche Hardware entstammt der Entwicklung des Stuttgarter Unternehmens Q.ANT und wurde im Rahmen des Quantenprojekts „QuSol“ beschafft.
Im Mittelpunkt des Karlsruher Ansatzes steht nicht der vollständige Ersatz bestehender Architekturen, sondern deren gezielte Ergänzung. Die photonischen Prozessoren agieren als spezialisierte Beschleuniger im Verbund mit klassischen Hochleistungsrechnern. Sie übernehmen vor allem mathematische Operationen, die bei der Speicherung und Verarbeitung riesiger Datenmengen besonders zeit- und energieintensiv ausfallen.
Für die praktische Umsetzung erforschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Scientific Computing Center des KIT, für welche konkreten Anwendungsmuster sich die lichtbasierten Einheiten am besten eignen. Ziel ist es, optische Beschleuniger in bestehende Softwarestrukturen und Rechenzentren möglichst nahtlos einzubinden.
Intelligente Aufgabenteilung
Ein zentraler Schwerpunkt der Karlsruher Arbeiten liegt auf der Entwicklung hybrider Lösungsstrategien. Komplexeste mathematische Aufgabenstellungen lassen sich in verschiedene Teilschritte zerlegen. Wenn ein Gesamtsystem diese Teilschritte automatisiert an die jeweils optimal geeignete Hardware übersendet – etwa mathematische Routineaufgaben an klassische Prozessoren, Matrixberechnungen an photonische Chips und spezialisierte Optimierungsprobleme an Quantensysteme –, sinkt der Gesamternergiebedarf drastisch. Gleichzeitig verkürzen sich die Rechenzeiten spürbar.
Neben den reinen Leistungswerten legt das Forschungsteam Wert auf die Nachvollziehbarkeit und Zugänglichkeit ihrer Entwicklungen. Sämtliche Forschungsergebnisse und Software-Schnittstellen stellen die Karlsruher Forschenden als Open Source zur Verfügung. Dadurch erhält die globale wissenschaftliche Gemeinschaft direkten Zugriff auf die gewonnenen Erkenntnisse und kann eigene Algorithmen auf der neuartigen Architektur testen.
Präzise Lichtquellen für Quantennetze
Während in Karlsruhe die photonische Datenverarbeitung innerhalb des Rechenzentrums im Vordergrund steht, erforschen andere deutsche Spitzenuniversitäten die optische Vernetzung der Zukunft. An der Technischen Universität München (TUM) entwickeln Forschende neuartige Einzelphotonenquellen für künftige Quantenkommunikations-Netzwerke. Um Daten vollkommen abhörsicher über optische Netze zu übertragen, benötigt die Quantenmechanik einzelne, exakt definierte Lichtquanten. Die gezielte und steuerbare Erzeugung solcher einzelnen Photonen stellte die Physik bislang vor große Herausforderungen.
Klassische Ansätze nutzen meist winzige optische Resonatoren, um Lichtquellen auf eine ganz bestimmte Frequenz einzustimmen. Diese Bauweisen sind jedoch extrem schmalbandig, verlangen eine penible Justierung für jeden einzelnen Lichtemitter und lassen kaum Raum für mehrere Lichtquellen auf einem Chip. Das Münchner Team nutzt daher photonische Kristallwellenleiter, um unerwünschte Frequenzen gezielt zu unterdrücken, anstatt die gewünschte Frequenz mühsam zu verstärken.
Nutzbarer Photonenanteil verdreifacht
Diese Strategie bietet signifikante Vorteile für den Aufbau robuster Kommunikationsarchitekturen. Durch die gezielte Filterung störender Frequenzen konnte der Anteil nutzbarer Photonen im Lichtsignal von 23 Prozent auf rund 72 Prozent verdreifacht werden. Zudem erlaubt die breitbandigere Struktur dieser Kristallwellenleiter den zeitgleichen Einsatz mehrerer Lichtemitter auf demselben Bauteil. Da die Photonenerzeugung bei dieser Methode etwas langsamer abläuft, lassen sich die Quanteneigenschaften der Lichtteilchen wesentlich präziser steuern. Das macht das Verfahren zu einer idealen Schnittstelle, um Quantensysteme künftig stabil über herkömmliche Glasfasernetze miteinander zu verbinden.
Weg in die optische Zukunft der IT
Die Entwicklungen am KIT und an der TUM verdeutlichen den grundlegenden Wandel in der modernen Informationstechnik. Die reine Skalierung herkömmlicher Siliziumchips stößt an physikalische Ökonomiegrenzen. Der Übergang von rein elektrischen zu optischen und hybriden Architekturen stellt daher keine reine Detailverbesserung dar, sondern leitet einen Paradigmenwechsel ein.Sowohl die photonische Beschleunigung klassischer Rechenaufgaben als auch die effiziente Erzeugung von Lichtquanten für die abhörsichere Datenübertragung zeigen, dass Licht das führende Transport- und Verarbeitungsmedium der nächsten Hardware-Generation werden kann. Wenn Forschung und Industrie diese Technologien weiter zur Serienreife führen, dürften künftige Rechenzentren nicht nur um ein Vielfaches schneller arbeiten, sondern auch ihren ökologischen Fußabdruck drastisch reduzieren.
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