Am Leibniz-Rechenzentrum in Garching wurde erstmals ein photonischer Beschleuniger von Q.ANT als Co-Prozessor in eine existierende Hochleistungsrechner-Umgebung integriert. Diese Innovation, realisiert mit Mitteln des BMFTR und in enger Kooperation von Wissenschaft und Industrie, erreicht eine um das Hundertfache gesteigerte Rechenleistung pro Rack bei 90 Prozent geringerem Stromverbrauch. Dank frei von aktiver Kühlung arbeitender Photonikprozessoren lassen sich KI-Algorithmen und Simulationen lautlos und umweltfreundlich ausführen und fördern zugleich ressourcenschonende moderne Recheninfrastrukturen.
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Q.ANT-Technologie liefert LRZ photonische Beschleunigung für komplexe wissenschaftliche Anwendungen
Dr. Michael Förtsch (links) und Dieter Kranzlmüller (2. von rechts) (Foto: Q.ANT GmbH)
Mit der erstmaligen Einbindung des photonischen Native Processing Servers (NPS) von Q.ANT in das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching demonstriert das LRZ eine neuartige HPC-Architektur ohne Kühlsystem. Die in Racks kompakten Photonic-Chips liefern bis zu hundertfach höhere Rechengeschwindigkeiten bei 90 Prozent geringerem Energieaufwand. Im Rahmen detaillierter Evaluationsläufe testet das LRZ KI- und Simulationsworkloads, erhebt Temperatur- und Verbrauchsdaten und erarbeitet Benchmarks für zukünftige ressourcenschonende Supercomputing-Lösungen unter Validierung der Rechengenauigkeit und Betriebsstabilität ergänzt.
Physiksimulationen laufen auf photonischer Hardware deutlich schneller und ressourcenschonend
Als Teil der ersten Evaluierungsphase installiert das LRZ mehrere NPS-Units von Q.ANT und führt Performance-Messungen in den Bereichen KI-Inferenz, Computer Vision und physikalische Simulationen durch. Die photonische Verarbeitung zielt darauf ab, komplexe Klimasimulationsrechnungen, Echtzeitmedizinbildgebung und Materialforschung für Fusionsenergieprojekte spürbar zu beschleunigen. Zeitgleich sorgt der energieeffiziente Photonikbetrieb für einen geringeren ökologischen Fußabdruck, da auf konventionelle Kühltechnik verzichtet wird und der Stromverbrauch drastisch sinkt. Die Daten dienen gleichzeitig der Prozessoptimierung künftiger HPC-Systeme.
Photonic Server erreichen nun ultraschnelle Datenverarbeitung mit minimalem Energieaufwand
Durch photonische Architektur werden Lichtpulse als Datenträger verwendet, was eine bis zu hundertfache Steigerung der Rechenleistung pro Rack ermöglicht. Klassische Lüfter und Kühlkreisläufe entfallen, sodass der Strombedarf um bis zu neunzig Prozent sinkt und die Infrastruktur deutlich kompakter ausfallen kann. Der Betrieb im 16-Bit-Gleitkommamodus liefert eine Präzision von nahezu einhundert Prozent, was für KI-Anwendungen, Simulationen und wissenschaftliche Berechnungen essenziell ist und die Effizienz erheblich steigert. Skalierbarkeit, Flexibilität und Zukunftssicherheit. maximal.
Analogphotonischer Server erfordert kein Kühlsystem, maximiert Raumeffizienz und Wirtschaftlichkeit
Der Native Processing Server (NPS) von Q.ANT (Foto: Q.ANT GmbH)
Statt Wärmeberge wie bei klassischen Prozessoren entwickeln die photonischen Chips von Q.ANT fast keine Hitze, sodass Kühlschränke und Luftumwälzer überflüssig werden. Das schlanke Gehäuse des Native Processing Servers erlaubt eine bequeme Installation in bestehenden Racks, ohne zusätzliche Tiefe zu beanspruchen. Der gewonnene Platz lässt sich für zusätzliche CPUs, GPUs oder Speicherhardware einsetzen. Dadurch sinken sowohl Investitions- als auch Betriebskosten, während sich die Rechenleistung pro Rack verdichtet und die ökonomische Effizienz der Infrastruktur erhöht.
Q.ANT NPS unterstützt PyTorch-, TensorFlow- und Keras-Modelle per PCIe
Der Q.ANT NPS erlaubt durch seine standardisierte PCIe-Anbindung eine plug-and-play-Installation in x86-Clustersystemen. Entwicklerinnen und Entwickler können ohne Änderungen ihrer Trainings- und Inferenzskripte vertraute Frameworks wie PyTorch, TensorFlow oder Keras einsetzen und so rechenintensive Algorithmen direkt auf photonische Architektur auslagern. Diese nahtlose Kompatibilität gewährleistet sofortige Performance-Gewinne bei geringerem Energieaufwand und verkürzt gleichzeitig Entwicklungszyklen. Anwender profitieren zudem von einer erhöhten Systemdichte ohne zusätzliche Kühlungskomponenten und sichern nachhaltig niedrige Betriebskosten im Rechenzentrum optimal.
Analog-digitaler Hybridansatz am LRZ ebnet Weg zu energieeffizienten Supercomputern
Im Fokus der Kooperation steht das Entwickeln und Erproben hybrider digital-analog-HPC-Architekturen, welche die Effizienz von Photonic-Beschleunigern mit bewährten digitalen Systemen verbinden. Am Leibniz-Rechenzentrum wird der photonische NPS implementiert, um analoge Rechenabläufe in realen Szenarien zu evaluieren. Dabei entstehen praxisorientierte Use Cases, die energieeffiziente Supercomputer der nächsten Generation demonstrieren. Die Forschungsergebnisse sollen helfen, den Energieverbrauch deutlich zu reduzieren und aktiv nachhaltige Innovationen voranzutreiben.
BMFTR-Projekt demonstriert beispielhafte Synergie zwischen Wirtschaft, Staat und Forschung
Das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) finanzierte Bündnis zwischen Wissenschaft, Industrie und Verwaltung stellt eine vorbildliche Verbindung unterschiedlicher Kompetenzen dar. In ihren Presseerklärungen würdigten Bundesministerin Dorothee Bär und Bayerns Staatsminister Markus Blume diesen Zusammenhalt als Beleg für Deutschlands Technologiedynamik und Innovationskraft. Das Projekt setzt gezielt Impulse für die nationale Hightech-Agenda, stärkt die wirtschaftliche Resilienz und fördert langfristig den Wissenstransfer innerhalb europäischer Forschungskontinente. Es intensiviert dringend nachhaltige Entwicklung.
Hybrid-Analog-Photonik-Architektur ebnet Weg zu skalierbaren, umweltschonenden HPC-Systemen mit Effizienz
Mit der nahtlosen Einbindung des photonischen Co-Prozessors von Q.ANT ins LRZ-Rack wird bewiesen, wie analog-photonische Komponenten konventionelle x86-Infrastrukturen ergänzen. Die PCIe-Anbindung ermöglicht Entwicklern, Frameworks wie TensorFlow oder PyTorch Anpassungen zu nutzen. Gleichzeitig liefert die Photonik bis zu 100-mal höhere Rechenleistung bei einem um 90 Prozent reduzierten Energieaufwand. Dank Wegfall aufwändiger Kühlsysteme entsteht eine HPC-Architektur, die Deutschlands Position im Post-CMOS-Zeitalter festigt. Sie eröffnet neue Potenziale für KI-Inferenz, Physiksimulationen und komplexe Workloads.
