Am Karlsruher Institut für Technologie ist ein Testsystem für photonisches Rechnen in Betrieb gegangen. Die lichtbasierten Prozessoren sollen klassische Hochleistungsrechner bei KI und anderen datenintensiven Aufgaben ergänzen. Im Fokus stehen Rechenzeit, Energiebedarf und die Integration in hybride Recheninfrastrukturen im Rechenzentrum.

Für Rechenzentren wird die Frage immer drängender, wie sich steigende Rechenanforderungen mit begrenzten Strom- und Kühlbudgets vereinbaren lassen. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erprobt dafür nun photonische Prozessoren, die ausgewählte Rechenoperationen mit Licht statt mit elektrischen Signalen ausführen. Das Testsystem ist bereits in Betrieb und soll zeigen, für welche Workloads sich die Technik als Beschleuniger eignet.

Anders als klassische CPUs oder GPUs sollen die photonischen Prozessoren die vorhandene Infrastruktur nicht ersetzen. Sie ergänzen Hochleistungsrechner und übernehmen Aufgaben, bei denen sich lichtbasierte Verarbeitung besonders effizient einsetzen lässt. Das KIT nennt vor allem Künstliche Intelligenz und andere datenintensive Anwendungen als Einsatzfelder.

Die Forschenden untersuchen dabei nicht nur die Rechenleistung selbst, sondern auch, wie sich photonische Beschleuniger in bestehende Recheninfrastrukturen integrieren lassen. Damit rückt die Technik näher an eine praktische HPC-Nutzung: Entscheidend ist nicht nur, ob ein optischer Prozessor einzelne Operationen schneller oder sparsamer ausführt, sondern ob sich die Gesamtanwendung sinnvoll auf unterschiedliche Hardwaretypen verteilen lässt.

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Hybride Rechnerarchitektur statt Spezialinsel

Genau diesen Ansatz verfolgt das Scientific Computing Center (SCC) des KIT. »Der Zugang zu photonischen Prozessoren eröffnet uns neue Möglichkeiten, rechenintensive Anwendungen effizienter zu gestalten«, sagt Professor Martin Frank, Direktor des SCC. »Wir kombinieren klassische Rechner, Quantencomputer und lichtbasierte Systeme mit dem Ziel, jede Teilaufgabe auf der jeweils am besten geeigneten Hardware auszuführen.«

Für Rechenzentren ist das ein relevanter Punkt. Spezialbeschleuniger entfalten ihren Nutzen nur dann, wenn Datenbewegung, Software-Stack und Orchestrierung nicht mehr Aufwand verursachen, als der eigentliche Rechenvorteil einspart. Das KIT untersucht deshalb hybride Lösungsstrategien, bei denen komplexe Berechnungen auf mehrere Hardwareklassen verteilt werden.

»Ein Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf hybriden Lösungsstrategien. Wenn wir komplexe Berechnungen effizient auf die verfügbaren Hardwaret-Typen aufteilen, kommen wir insgesamt schneller und mit weniger Energie zu Ergebnissen«, ergänzt Professorin Ina Schaefer vom Institut für Informationssicherheit und Verlässlichkeit (KASTEL) des KIT. »Gleichzeitig stellen wir unsere Ergebnisse als Open Source zur Verfügung, damit auch andere Forschende davon profitieren.«

4,3 Millionen Euro für das Testsystem

Gefördert wird der Aufbau des Systems vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt mit rund 4,3 Millionen Euro. Die Hardware wurde im Rahmen des Quantum-Computing-Projekts QuSol beschafft. Entwickelt und gefertigt hat sie das Stuttgarter Unternehmen Q.ANT.

Photonisches Rechnen bleibt damit vorerst ein Spezialthema für Forschung und Hochleistungsrechnen. Spannend ist aus Infrastrukturperspektive weniger die Aussicht auf einen vollständigen Ersatz klassischer Prozessoren als vielmehr die Kombination verschiedener Rechenarchitekturen. Wenn sich KI- und HPC-Workloads gezielt auf CPU, GPU, Quanten- und photonische Systeme verteilen lassen, könnte das helfen, Rechenleistung effizienter innerhalb vorhandener Energiegrenzen bereitzustellen.