Rechnen mit Licht nutzt 100 parallele Kanäle und sprengt die Geschwindigkeitsskala

Informatik

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 30.06.2025

Liuxing-I ist ein komplettes hochparalleles System, vom Multiplexen der 100 Lichtkanäle bis zum thermischen Kontrollsystem. [Bild: Xiao Yu et al. - 10.1186/s43593-025-00088-8]

Optisches Computing

Berechnungen mit Licht statt mit Elektrizität durchzuführen, mithilfe sogenannter photonischer Prozessoren, klingt schon gut genug – aber es ist besser, als die Ingenieure berechnet haben.

Dies ist die wichtigste alternative Plattform zum herkömmlichen Von-Neumann-Computing und bietet natürliche Vorteile wie Skalierbarkeit, niedrigen Energieverbrauch, ultrahohe Geschwindigkeit, große Bandbreite und hohe Parallelität.

Und genau in diesem letzten Aspekt hat ein Team aus Singapur und China den Löffel abgegeben, indem es eine optische Computerarchitektur entwickelte, die die Parallelität drastisch erhöht, mit einem theoretischen Potenzial von fast unvorstellbaren 2.560 Billionen Operationen pro Sekunde (TOPS), womit buchstäblich die Skala gesprengt und eine neue Einheit geschaffen wurde: die QOPS (2,5 Billiarden Operationen pro Sekunde).

Zum Vergleich: Eine vor etwa zwei Monaten vorgestellte Spitzentechnologie mit in Glasfasern integrierten Chips für künstliche Intelligenz erreicht 1,6 TOPS. Darüber hinaus liegt die Energieeffizienz der jetzt vorgestellten Plattform über 3,2 TOPS/W, verglichen mit 0,87 TOPS pro Watt bei der vorherigen.

„Wir haben ein paralleles optisches Computersystem demonstriert, das 100 Wellenlängen-Multiplexing ermöglicht und damit einen neuen Weg zur Verbesserung der optischen Berechenbarkeit eröffnet. Das ist vergleichbar mit der Umwandlung einer einspurigen Autobahn in eine Schnellstraße mit über hundert parallelen Spuren – eine dramatische Steigerung des Durchsatzes ohne Veränderung der Chip-Hardware“, sagte Professor Peng Xie vom Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics.

(a) Systematisches Schema mit den drei Hauptkomponenten. (b) Schema der 100-Kanal-Wellenlängen-Parallel-Optikberechnung. [Bild: Xiao Yu et al. - 10.1186/s43593-025-00088-8]

Parallelität

Diese ultrahohe Parallelität in der optischen Datenverarbeitung wurde durch die Integration von Lichtquellen mit mehreren Wellenlängen, optischen Verbindungschips, Prozessoren, Array-Treibersystemen und hybriden photonisch-elektronischen Datenverarbeitungsalgorithmen erreicht.

Das parallele optische Computersystem auf einem Chip trägt den Namen „Liuxing-I“. Es integriert mehrere Komponenten, darunter einen integrierten optischen Mikrokavitäts-Frequenzkamm für die Verarbeitung von Lichtquellen mit mehreren Wellenlängen, einen rekonfigurierbaren optischen Hochleistungsprozessor und ein skalierbares, hochpräzises Antriebssystem. Alle Komponenten arbeiten mit einer Modulationsfrequenz von 50 GHz.

„Jede kritische technische Herausforderung wurde von engagierten Teammitgliedern in Angriff genommen, wobei wir einer Punkt-Linien-Oberflächen-Forschungsstrategie folgten. Dieser systematische Ansatz ermöglichte es uns, schnell von der Grundlagenforschung zur vollständigen Systemintegration überzugehen“, sagte Xie.

Die Forscher validierten die Architektur in praktischen Tests und bestätigten die Robustheit des 100-Wellenlängen-Multiplexings, was die Konsistenz bei der parallelen Datenverarbeitung deutlich verbesserte. Diese Implementierung stellt einen bedeutenden Sprung in der Rechenleistung photonischer Systeme dar und ist ein entscheidender Schritt hin zur praktischen Anwendung optischer Berechnungen.

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