Das Mooresche Gesetz brechen: Neues Photonic-Computing-Projekt PHOENICS beschleunigt Rechenleistung für Künstliche Intelligenz

Mai 17, 2021

Der Startschuss für das Forschungsprojekt PHOENICS, an dem das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) als Partner beteiligt ist, fiel im Frühjahr dieses Jahres. Das Projekt, das mit 5,8 Mio. Euro von der EU gefördert wird, bringt Weltmarktführer im Bereich des photonischen Computings zusammen, um mithilfe von Licht erstmals energieeffiziente Petascale-Rechenleistungen mit ultrahoher Bandbreite zu erreichen. Diese Verarbeitungsleistung ist nötig, um das Potenzial der Künstlichen Intelligenz (KI) voll ausschöpfen zu können. Das Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, im Laufe der vierjährigen Förderperiode das sogenannte Photonic Computing als wettbewerbsfähigen Ansatz für Maschinelles Lernen zu etablieren.

KI-Anwendungen durchdringen immer mehr Bereiche der digitalisierten Gesellschaft. Dabei stellen sie sehr hohe Anforderungen an die elektronische Hardware bezüglich Rechenleistung und Speicherkapazität. Damit die KI weiterentwickelt werden kann, muss eine enorme Steigerung der Rechenleistung (und somit der Transistorendichte) erfolgen. Es wird eine Rechenleistung benötigt, die um mehr als das Fünffache höher liegt als jene, die durch das Mooresche Gesetz vorgegeben ist. Dieses besagt, dass sich die Transistorendichte auf einem Mikroprozessor nahezu alle zwei Jahre verdoppelt.

Die Forschenden im PHOENICS-Projekt wollen innovative Hardwareansätze nutzen, um das Mooresche Gesetz zu brechen und die enormen Datenmengen zu verarbeiten, die für anspruchsvolle KI-Anwendungen benötigt werden. Durch die Umstellung von elektronischen auf photonische Ansätze sollen neue Methoden für die ultraschnelle Informationsverarbeitung geschaffen werden. Hierbei sind photonische neuromorphe Prozessoren eine Schlüsselinnovation. Neuromorphes Computing bezieht sich dabei auf analoge Recheneinheiten, die nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns lernen und die Plastizität eines biologischen Nervensystems nachahmen. Für KI-Computing versprechen sie eine noch nie dagewesene Rechenleistung und Energieeffizienz.

Das Akronym PHOENICS steht für "Photonic enabled petascale in-memory computing with femtojoule energy consumption" und fasst die Ziele des Projekts im Namen zusammen: Das Konzept des In-Memory-Computing ermöglicht eine Datenverarbeitung, die dem menschlichen Gehirn ähnelt, indem es die Trennung zwischen Rechen- und Speichereinheiten aufhebt. Die photonische Technologie schafft einen Hochgeschwindigkeits-Datentransport, wo elektronische Systeme bisher an ihre Grenzen stoßen.

Das Fraunhofer HHI entwickelt im Projekt den Teil des neuromorphen Prozessors, der für die Kodierung der Daten verantwortlich ist. Hierfür wird die hybride photonische Integrationsplattform PolyBoard des Fraunhofer HHI verwendet, um die einzelnen Wellenlängen des Signals (bis zu 24) zu trennen. Anschließend werden die einzelnen Wellenlängen in vielen parallelen InP-Chips moduliert und verstärkt, um die Daten zu kodieren. Danach werden die Signale mit einem zweiten PolyBoard-Chip wieder zusammengeführt. Durch diese parallele Verarbeitung von verschiedenen Lichtwellenlängen kann ein sehr hoher Datendurchsatz erzielt werden.

Das Projekt, das auf vier Jahre angelegt ist, ist ein Forschungsvorhaben, das von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (Deutschland) koordiniert wird. Neben dem Fraunhofer HHI sind die University of Exeter (UK), die École polytechnique fédérale de Lausanne (Schweiz), die Nanoscribe GmbH & Co. KG (Deutschland), die University of Oxford (UK), die University of Ghent (Belgien), die IBM Research GmbH (Schweiz) und MicroR Systems am Projekt beteiligt.