Effizient mit Lichtgeschwindigkeit – die Vorteile von optischen Chips

Optische Chips sind energieeffizienter und schneller als die herkömmliche Technologie. Neu ist die Idee nicht. Schon Anfang der 2000er wurden die ersten optischen Chips vorgestellt. Gerade im Bereich der Datenübertragung hat sich Licht als Medium schon etabliert. Für eine schnellere Internetverbindung werden immer mehr Glasfaserkabel verlegt, schließlich ist Licht schneller als Elektronen. Für Künstliche Intelligenz bzw. künstliche neuronale Netzwerke könnten die Eigenschaften der optischen Chips den entscheidenden Vorteil bringen. Das sind die Vorteile der optischen Chips gegenüber den elektrischen:

• Geschwindigkeit: Licht bewegt sich schneller als Elektronen. Die Datenübertragungsraten und die Verarbeitungsgeschwindigkeiten werden dadurch deutlich schneller. Besonders in Datenzentren und für Hochleistungsrechner ist das von Vorteil.
• Energieeffizienz: Optische Chips können potenziell energieeffizienter sein. Meist ist der Energieverbrauch pro Bit bei der Verwendung von Licht geringer als bei Elektronen.
• Parallele Verarbeitung: Ein herkömmlicher Computerchip ist universell einsetzbar und kann zahlreiche unterschiedliche Prozesse durchführen. Jedoch kann er dies nicht gleichzeitig tun. Der Chip arbeitet die Aufträge nacheinander ab. Besonders für Künstliche Intelligenz bremst das aus. Optische Schaltungen können mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen. Prozesse können parallel laufen sofern eine andere Farbe, das heißt eine andere Lichtfrequenz verwendet wird.
• Geringere Wärmeerzeugung: Elektronische Chips erzeugen Wärme, während sie in Betrieb und besonders, wenn die Datenübertragungsfrequenz erhöht werden soll. Das kann die Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen. Da bei optischen Chips der Widerstand hingegen weitgehend fehlt, erzeugen sie weniger Wärme.
• Signalintegrität: Je höher die Frequenz der Signale in einer herkömmlichen Kupferleitung, desto schneller ist die Übertragung der Daten. Gleichzeitig nimmt dadurch jedoch die Reichweite ab und das Signal wird störanfälliger. Licht hingegen ist weniger anfällig für Störungen und Interferenzen. Daher können optische Chips in Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Störungen zuverlässiger arbeiten.

Das enorme Potenzial der optischen Datenverarbeitung für den Bereich KI betonte auch eine Arbeitsgruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. 2020 veröffentlichten sie den Übersichtsartikel „Inference in artificial intelligence with deep optics and photonics“ und befassten sich dazu mit den jüngsten Fortschritten in den Bereichen optische Datenverarbeitung und KI. Ihre Prognose ist optimistisch, jedoch nicht ohne Dämpfer:

Die Entwicklung von optischen Allzweck-Computersystemen dürfte […] in absehbarer Zukunft eine Herausforderung bleiben. Das Aufkommen der künstlichen Intelligenz und ihre Anforderungen […] haben jedoch neue Möglichkeiten für optische Komponenten zur Ergänzung ihrer elektronischen Gegenstücke geschaffen.¹

Im Bereich KI ordnen die Autorinnen und Autoren hybride optische Systeme als besonders vielversprechend ein. Diese vereinen „die Bandbreite und Geschwindigkeit des optischen Rechnens mit der Flexibilität des elektronischen Rechnens¹“.

Fazit

Optische Chips bieten gegenüber elektrischen Chips viele Vorteile, doch auch sie sind keine Allzwecklösung. Für die Zukunftsthemen KI und Umweltschutz sind sie jedoch ein spannender und vielversprechender Faktor.