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Rechenzentren für die Datenverarbeitung und -speicherung sind besonders energieintensiv. Die wachsende Nachfrage nach generativer, künstlicher Intelligenz lässt die Datenmenge und damit die Rechenpower enorm steigen. Mit photonischen Ansätzen lassen sich diese Arbeitslasten energieeffizienter bewältigen. Ein Lösungsansatz: Photonische Prozessoren, die auf die parallele Verarbeitung großer Datenmengen ausgelegt sind.
Künstliche Intelligenz (KI) ist mittlerweile in allen Lebensbereichen angekommen. Der Einsatz dieser Technologie nimmt weiter zu und damit explodieren die Datenmengen – der Strombedarf in Rechenzentren steigt. Der VDE, Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik, sieht darin eine enorme Herausforderung für die Zukunft.
»Im Sinne der digitalen Souveränität sowie der wirtschaftlichen Resilienz müssen sensible Daten und Anwendungen sicher und verlässlich gespeichert und verarbeitet werden«, sagt Dr. Damian Dudek, Geschäftsführer der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE (VDE ITG). Sowohl das Training der KI-Systeme als auch der Betrieb erfordern hohe Mengen an Energie. Stellt ein User eine Anfrage an ChatGPT, verbraucht er schätzungsweise drei bis neun Wattstunden. Würden alle der neun Milliarden täglichen Suchanfragen von KI beantwortet, ist mit einem erhöhten Stromverbrauch um den Faktor 30 zu rechnen.
Wie lässt sich das Problem lösen? Erforderlich sind künftig Datenkanäle, die Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde über eine einzige Laserwellenlänge in einem Glasfaserkabel unterstützen. Um diese Datenübertragungsraten energieeffizienter zu verarbeiten, müssen Alternativen für konventionelle integrierte Digitalschaltungen beispielsweise durch integrierte Silizium-Photonik-Elektronik-Schaltungen, sogenannte PICs (Photonic Integrated Circuits), angegangen werden.
Denn: Durch den Einsatz integrierter Photonik könnte in Rechenzentren die Energieaufnahme verringert werden. Zudem lassen sich Daten in dem hochfrequenten Spektrum des Lichts in höheren Bandbreiten übertragen. Weiterhin sind Verluste durch Wärmeableitung in photonischen Schaltungen geringer, was zu einer höheren Energieeffizienz führt. Denn PICs erzeugen weniger Wärme als elektrische Komponenten und entlasten damit das Kühlsystem. »Photonische Technologien könnten eine Schlüsselrolle dabei spielen, den Energiebedarf von Rechenzentren zu senken und gleichzeitig die wachsenden Anforderungen an Geschwindigkeit und Rechenleistung zu erfüllen«, sagt Dr. Matthias Wirth, Projektmanager Innovation beim VDE. »Vor allem im Umfeld der Hochleistungscomputer kommt die integrierte Photonik immer häufiger zum Einsatz. Wir erwarten, dass diese Lösungen in naher Zukunft zum Industriestandard werden.«
Photonische Prozessoren: Die Zukunft der Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung
Die Welt der Computertechnologie entwickelt sich rasant weiter, und eine der vielversprechendsten Innovationen in diesem Bereich sind photonische Prozessoren. Diese Prozessoren, die Licht statt Elektronen zur Datenübertragung nutzen, könnten die Art und Weise, wie wir über Datenverarbeitung denken, revolutionieren.
Photonische Prozessoren arbeiten mit Photonen, den grundlegenden Einheiten des Lichts, um Informationen zu übermitteln und zu verarbeiten. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Schaltungen, die auf elektrischem Strom basieren, nutzen photonische integrierte Schaltungen (PICs) Photonen zur Signalübertragung. Dies ermöglicht eine deutlich schnellere und energieeffizientere Datenübertragung als bisher möglich.
Ein Schlüsselelement photonischer Prozessoren ist ihre Fähigkeit zur parallelen Verarbeitung großer Datenmengen. Photonen unterstützen von Natur aus Parallelität und bieten Zugang zu zusätzlichen photonischen Dimensionen, die weit über 2D-elektronische Gitter hinausgehen. Dies ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die eine hohe Rechengeschwindigkeit erfordern, wie künstliche Intelligenz und Hochleistungscomputing.
Die Vorteile der Photonik gegenüber der herkömmlichen Elektronik sind erheblich. Sie bietet nicht nur eine höhere Geschwindigkeit und Effizienz, sondern auch eine größere Datenübertragungskapazität. Dies ist entscheidend, um die Grenzen der derzeitigen Computing-Architekturen zu überwinden. Darüber hinaus ermöglicht die Photonik eine leistungsfähigere und energieeffizientere Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit, was sie zur idealen Lösung für Netzwerke und Chip-to-Chip-Kommunikation macht.
Die breite Einführung der Photonik wird verschiedene Branchen revolutionieren, von Rechenzentren bis zum Gesundheitswesen, da sie beispiellose Fortschritte in Technologie und Leistung ermöglicht. Um das volle Potenzial der Photonik auszuschöpfen, ist jedoch die Zusammenarbeit zwischen Tech-Giganten, Start-ups und Forschungseinrichtungen für die Entwicklung von Standards und die Bewältigung technischer Hürden unerlässlich.
Photonische Prozessoren stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung, aber die Aussichten sind vielversprechend. Mit der fortschreitenden Forschung und Entwicklung könnten sie die nächste digitale Grenze darstellen und die Norm der Zukunft werden. Für diejenigen, die an der Spitze der technologischen Innovation stehen wollen, ist die Photonik ein Gebiet, das man im Auge behalten sollte.
Genki Absmeier
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