Am Leibniz-Rechenzentrum Garching wurde mit dem Q.ANT Native Processing Server die erste photonische Beschleunigungslösung in eine bestehende HPC-Infrastruktur integriert. Das BMFTR-geförderte Vorhaben beweist, dass Licht-basierte Analogrechner bis zu hundertmal höhere Leistung bei 90 Prozent weniger Stromverbrauch liefern. Die kühlungsfreie Architektur bietet geräuschlose, hochpräzise Verarbeitung. KI-Inferenz, Computer Vision und Physiksimulationen können so nachhaltig beschleunigt werden, was den ökologischen Fußabdruck reduziert und neue Anwendungen im wissenschaftlichen Bereich ermöglicht und stärken Deutschland als Innovationsstandort.
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LRZ etabliert Benchmarks für photonische Beschleunigung komplexer zukünftiger HPC-Anwendungen
Dr. Michael Förtsch (links) und Dieter Kranzlmüller (2. von rechts) (Foto: Q.ANT GmbH)
Das Projekt, gefördert durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR), hat mit der Installation des photonischen Native Processing Servers (NPS) von Q.ANT im Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching einen Meilenstein gesetzt. Als erster globaler Einsatz eines photonic Co-Prozessors bietet es die Grundlage für umfassende Evaluierungen komplexer KI- und Simulationsaufgaben. Die gewonnenen Leistungsdaten und Benchmarks stärken die deutsche Position als Technologieführer im energieeffizienten Supercomputing unter realitätsnahen Nutzungsprofilen validiert und weiterentwickelt.
Benchmark-Ergebnisse zeigen drastische Reduktion des ökologischen Fußabdrucks durch Photonik
Im ersten Evaluierungsschritt integriert das LRZ mehrere photonische Q.ANT NPS-Module und führt detaillierte Benchmarktests in KI-Inferenz, maschinellem Sehen und Physiksimulation durch. Ziel der photonischen Beschleunigung ist die drastische Reduzierung der Laufzeiten bei komplexen Klimamodellexperimenten, medizinischen Echtzeit-Scans und Materialanalysen für Fusionsforschungsvorhaben. Gleichzeitig senkt die Photoniklösung den Energieverbrauch erheblich und eliminiert den Bedarf teurer Kühlsysteme, was den ökologischen Fußabdruck der Gesamtinfrastruktur deutlich verringert. Die Kennzahlen fließen direkt in Planung künftiger Supercomputer-Systeme ein.
Serverracks mit photonischer Technik bieten effiziente, platzsparende, wartungsfreie Hochleistungslösungen
Photonenkernprozessoren setzen Photonen ein, um Rechenoperationen parallel und mit hoher Geschwindigkeit auszuführen. Dadurch erreichen sie eine bis zu hundertfache Leistungssteigerung pro Rack im Vergleich zu herkömmlichen digitalen CPUs. Die komplette Eliminierung von Kühlsystemen senkt den Energieverbrauch um bis zu neunzig Prozent. Im 16-Bit-Floating-Point-Modus garantieren sie nahezu hundertprozentige Genauigkeit. Diese Merkmale kombinieren sich zu einer zukunftsweisenden Lösung für energieeffiziente KI-Inferenz, hochpräzise Simulationen und datenintensive Forschungsaufgaben. Skalierbarkeit erhöht Flexibilität und Performance spürbar.
Analog-photonische Technologie eliminiert Kühlsysteme, steigert Raumausnutzung und maximiert Effizienz
Der Native Processing Server (NPS) von Q.ANT (Foto: Q.ANT GmbH)
Q.ANTs photonische Rechenkerne arbeiten ohne signifikante Wärmeentwicklung, wodurch Kühllösungen wie Chiller oder Klimaregulierung entfallen können. Der Native Processing Server wurde speziell für den Einbau in Standard-Racks optimiert und beansprucht nur minimale Stellfläche. Hinter der Frontklappe gewinnt man umgehend zusätzlichen Platz für ergänzende Hardware, etwa SSD-Arrays oder GPU-Beschleuniger. Die Konsequenz sind geringere laufende Betriebskosten, reduzierte Komplexität in der Infrastruktur und eine höhere Rechenleistung pro Rack-Einheit.
Skalierbare Analog-Photonik-Beschleunigung integriert sich nahtlos per PCIe in x86-Server
Der Q.ANT NPS nutzt eine PCIe-Verbindung zur Integration in x86-Servercluster und erfordert keine speziellen Treiber. Bestehende Machine-Learning-Frameworks wie PyTorch, TensorFlow oder Keras werden direkt unterstützt, sodass Entwicklerinnen und Entwickler ihre Modelle mit MPI oder anderen verteilten Ansätzen unverändert ausführen können. Die Photonentechnologie beschleunigt Berechnungen deutlich, reduziert den Strombedarf und behält die gewohnte Softwareumgebung bei. Auf diese Weise lassen sich HPC-Workflows energieeffizient skalieren. Die Implementierung bleibt einfach, die Betriebskosten sinken spürbar.
Analoges Computing bringt LRZ-Cluster zu höherer Effizienz und Performance
Im Zuge dieser Zusammenarbeit entwickelt das LRZ Konzepte, die digitale Rechentechnologien und analoge Photonic-Beschleuniger eng verzahnen, um leistungsfähige und ressourcenschonende HPC-Plattformen zu gestalten. Der photonische NPS ermöglicht erste Praxistests analoger Rechenmethoden. Es entstehen Demonstratoren, die zeigen, wie zukünftige Supercomputer mit geringerem Energieaufwand höhere Performance liefern können. Ziel ist es, die Basis für umweltfreundliche, skalierbare Hochleistungsrechner zu schaffen und technologische Führungsansprüche zu untermauern und wertvolle Erkenntnisse für die Zukunft der Computer-Architektur.
Staat, Wirtschaft und Wissenschaft profitieren vom BMFTR-geförderten essentiellen Innovationsschub
Ein vom BMFTR unterstütztes Programm ermöglicht eine enge Verzahnung zwischen Forschungsinstituten, Unternehmen sowie staatlichen Stellen, um Innovationskräfte zu bündeln. Bundesministerin Dorothee Bär und Bayerns Staatsminister Markus Blume beschrieben das Resultat als überzeugenden Beweis deutscher Spitzenforschung und Technologiekompetenz. Dieses Leuchtturmprojekt liefert konkrete Impulse für die Hightech-Agenda, fördert die Marktvorbereitung neuartiger Anwendungen und trägt maßgeblich zur Stärkung des deutschen Innovationsökosystems im internationalen Wettbewerb bei. Es beschleunigt Technologietransfer und schafft neue Arbeitsplätze nachhaltig.
Klimasimulationen und Materialforschung profitieren von photonisch beschleunigter Rechenleistung erheblich
Mit dem photonischen Co-Prozessor von Q.ANT reduziert das LRZ Betriebskosten und platzbedingte Investitionen. Die photonische Beschleunigung liefert bis zu 100-fache Rechenleistung pro Rack, während der Stromverbrauch um 90 Prozent sinkt. Aufwändige Kühlinfrastrukturen entfallen, sodass Wartungsaufwand und Geräuschentwicklung minimiert werden. Die kompakte Bauform fügt sich in bestehende Racks ein und schafft zusätzlichen Raum für Erweiterungen. Entwickler portieren HPC- und KI-Anwendungen nahtlos via PCIe. Diese Lösung definiert skalierbare, energieeffiziente HPC-Systeme im Post-CMOS-Zeitalter.
