Mit der Inbetriebnahme des NPS von Q.ANT im hochmodernen Leibniz-Rechenzentrum setzt Deutschland den ersten photonischen Akzelerator in einem Supercomputer ein. Das Projekt, unterstützt durch Forschung, Politik und Industrie sowie finanziert vom BMFTR, realisiert bis zu hundertfach höhere Leistung pro Rack bei 90 Prozent weniger Stromverbrauch. Dank analoger Photonik entfallen energieaufwendige Kühlsysteme, während KI-Inferenz und Simulationsaufgaben geräuschlos und mit höchster Genauigkeit energieeffizient beschleunigt werden und tragen so signifikant zur CO2-Reduktion bei.
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Native Processing Server im LRZ beschleunigt KI sowie Simulationen
Dr. Michael Förtsch (links) und Dieter Kranzlmüller (2. von rechts) (Foto: Q.ANT GmbH)
Der weltweit erste photonische Co-Prozessor von Q.ANT, umgesetzt im Native Processing Server (NPS), wurde in das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching eingebunden. Diese Pionierintegration ermöglicht dem LRZ, photonische Beschleunigung bei komplexen KI-Inferenzaufgaben, Klimasimulationen, medizinischer Echtzeitbildgebung und materialwissenschaftlichen Simulationen unter realen Betriebsbedingungen zu prüfen und Energieverbrauchsdaten zu erheben. Die gewonnenen Informationen fließen in leistungsbasierte Benchmarks ein und unterstützen das Design zukünftiger energieeffizienter HPC-Architekturen sowie umfassende nachhaltigkeitsbezogener Evaluierungen effektiv zur Minimierung ökologischer Auswirkungen.
LRZ benchmarkt KI-Inferenz mit photonischen Prozessoren für energieeffiziente HPC-Anwendungen
Das LRZ setzt in der initialen Testphase mehrere Q.ANT NPS-Module ein, um Benchmark-Tests in den Bereichen KI-Inferenz, maschinelles Sehen und physikalische Simulationen durchzuführen. Photonenbasierte Beschleunigung soll Rechenprozesse für komplexe Klimasimulationen, Echtzeit-Bildanalyse und Materialforschung in der Fusionsenergie verkürzen. Parallel führt der energieeffiziente Betrieb zu einem niedrigeren ökologischen Fußabdruck, indem Kühlbedarf entfällt und Stromverbrauch im Vergleich zu digitalen Systemen um bis zu neunzig Prozent reduziert wird. Damit entstehen Erkenntnisse.
Durch analoge Photonik entfällt energieintensive Kühlung vollständig bei Höchstleistung
Photonische Beschleuniger basieren auf optischen Schaltkreisen und erreichen dadurch eine bis hundertmal höhere Rechenleistung pro Rack verglichen mit herkömmlichen elektronischen Systemen. Durch den Verzicht auf aktive Kühleinrichtungen sinkt der Energieverbrauch um bis zu neunzig Prozent, was den ökologischen Fußabdruck erheblich minimiert. Im 16-Bit-Gleitkommaformat arbeiten die Komponenten mit beinahe vollständiger Genauigkeit, sodass rechenintensive wissenschaftliche Simulationen, KI-Inferenz und Big-Data-Analysen deutlich schneller, präziser und energieeffizienter realisierbar sind. Kostenersparnis, Skalierbarkeit und Verfügbarkeit steigen exponentiell.
Kompakter Photonic Server schafft Platz, beseitigt Kühlung, senkt Kosten
Der Native Processing Server (NPS) von Q.ANT (Foto: Q.ANT GmbH)
Die photonischen Q.ANT-Chips erzeugen im Betrieb nahezu keine thermische Abwärme, wodurch herkömmliche Kühleinrichtungen überflüssig werden. Der Native Processing Server eignet sich durch sein kompaktes Rack-Format perfekt für die Integration in bestehende Serverumgebungen. Frei werdender Platz kann unmittelbar für zusätzliche Speichereinheiten oder GPU-Module genutzt werden. Diese Kombination aus geringem Kühlaufwand und hohem Integrationsgrad führt zu niedrigeren Betriebskosten, reduziertem Platzbedarf und einer insgesamt deutlich höheren Rechenkapazität pro Standfläche im Rechenzentrum.
Entwickler profitieren von Photon-Beschleunigung ohne umfangreiche Anpassungen per PCIe
Der Q.ANT NPS wird per PCIe-Interface an x86-Systeme angeschlossen, sodass keine aufwendigen Hardwareänderungen nötig sind. Mit out-of-the-box-Kompatibilität für führende Machine-Learning-Bibliotheken wie PyTorch, TensorFlow und Keras können Entwicklerteams ihre bestehenden Anwendungen ohne Code-Refactoring auf die photonische Plattform migrieren. Dadurch nutzen sie sofort die Vorteile der Licht-basierenden Beschleunigung, erzielen höhere Inferenzraten und reduzieren gleichzeitig den Strombedarf. Insgesamt lässt sich die Implementierung in heterogene Rechenumgebungen zügig und wirtschaftlich realisieren ohne Mehraufwand und Zusatzkosten.
Praxisnahe Anwendungsfälle für hybrides analog-digitales Computing in künftigen Supercomputern
Die Initiative am Leibniz-Rechenzentrum widmet sich der Erforschung hybrider digital-analog-Architekturen, in denen Photonik und klassische Rechnerarchitekturen Hand in Hand arbeiten, um zukünftige HPC-Systeme zu revolutionieren. Der photonische Native Processing Server liefert dabei die Basis, um analoge Rechenmethoden im praktischen Betrieb zu testen. Ziel ist es, realitätsnahe Anwendungsfälle zu entwickeln, die Supercomputer der nächsten Generation effizienter gestalten, den Energieverbrauch drastisch reduzieren und die Leistungsfähigkeit in Wissenschaft und Industrie spürbar erhöhen helfen.
Dorothee Bär und Markus Blume loben Hightech-Kooperation als Meilenstein
Das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Initiativprojekt veranschaulicht die effektive Verzahnung von Wissenschaft, Wirtschaft und staatlicher Förderung. In seiner offiziellen Würdigung bezeichneten Bundesministerin Dorothee Bär und Bayerns Staatsminister Markus Blume dieses Kooperationsmodell als Meilenstein deutschen Hightech-Engagements. Dieser Erfolgsvorstoß liefert einen entscheidenden Impuls für die Hightech-Agenda und schafft die Grundlage für langfristige Forschungsallianzen, innovative Produktentwicklungen und die Stärkung Deutschlands im internationalen Technologie-Wettbewerb. So werden Innovationspotenziale nachhaltig gefördert.
Deutschland führt Photonik-Acceleration im Rechenzentrum für energieeffizientes HPC ein
Der Q.ANT photonische Co-Prozessor, im Leibniz-Rechenzentrum installiert, demonstriert, wie zukünftige Supercomputer KI- und HPC-Workloads beschleunigen können. Durch gestützte Rechenoperationen erzielt das System bis zu 100-fache Performance pro Rack und reduziert den Energiebedarf um bis zu 90 Prozent. Da Photonenchips nahezu keine Abwärme produzieren, entfallen Kühlinfrastrukturen. Die Technologie schafft Platz in Server-Racks und etabliert einen skalierbaren Weg für Post-CMOS-HPC-Architekturen. Sie stärkt Deutschlands Führungsrolle im nachhaltigen HPC und fördert weiterhin deutsche Technologieinnovation.
