Rechnen mit Licht
Optical Computing: in Spezialbereichen tausendfach schneller als Elektronen
Die Idee, Lichtstrahlen anstelle von elektrischem Strom und Transistoren zum Rechnen zu nutzen, ist nicht neu. Doch nun bieten die speziellen Anforderungen von KI-Algorithmen den optischen Chips erstmals reelle Chancen, die altgediente Siliziumelektronik in gewissen Bereichen zu überflügeln. So versuchen erste Start-ups, die neue Technik zu nutzen.
Optische Schaltungen sind elektrischen Schaltungen in mehrerlei Hinsicht überlegen: Sie versprechen um mehrere Größenordnungen höheren Datendurchsatz bei gleichzeitig geringerer Leistungsaufnahme und weniger Platzverbrauch. Beim Verarbeiten der Signale konnte sich die Optik allerdings bisher nicht gegen die beeindruckenden Leistungen des Dreamteams aus Elektronen und Transistoren durchsetzen. Doch der Hunger moderner KI-Algorithmen nach möglichst hoher Parallelität ist geradezu perfekt auf die Stärken des optischen Rechnens zugeschnitten. Denn so wie verschiedenfarbige Lichtpulse Daten parallel in ein und derselben Glasfaser übertragen, können auch optische Schaltungen mehrere Berechnungen gleichzeitig ausführen. Darüber hinaus eröffnen optische Bauteile völlig neuartige Möglichkeiten, die weit über das starre Umschalten zwischen null und eins hinausgehen.
Die Basis für den aktuellen Aufschwung des optischen Rechnens bildet zunächst eine recht banal wirkende Eigenschaft: die Stabilität. Optische Systeme sind von Natur aus zunächst sehr empfindlich, da sich die Wellenlängen im Bereich eines Mikrometers (tausendstel Millimeter) bewegen. Ist ein solches System etwa in Form von Linsen und Prismen auf einem optischen Tisch aufgebaut, reicht schon eine kleine Erschütterung und eine versehentliche Veränderung nur um einen halben Mikrometer, um einen Wellenberg über ein Wellental zu schieben. „Und schon wird aus hell dunkel“, erklärt Professor Christoph Scheytt, der am Heinz-Nixdorf-Institut der Universität Paderborn das Schwerpunktprogramm „Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing“ leitet.