High-Tech aus Stuttgart: Das Stuttgarter Start-up Q.ant produziert photonische Computerchips. Sie sollen die Abhängigkeit von ausländischen Lieferanten verringern.
Rein äußerlich unterscheidet sich dieser Computerchip nicht groß von anderen Vertretern seiner Art. Er ist ziemlich klein und wenn man genau hinschaut, sind darauf winzige Strukturen zu erkennen. Doch der photonische Chip, den das Stuttgarter Unternehmen Q.ant und das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS Chips) jetzt vorgestellt haben, rechnet nicht mit Elektronen, sondern mit Hilfe von Lichtteilchen – in der Fachsprache Photonen genannt. Dadurch soll das Hightech-Bauteil in der gleichen Zeit etwa 50 Mal so viele Rechenoperationen schaffen wie ein konventioneller Grafikprozessor und dabei 30 Mal weniger Energie verbrauchen.
Photonische Chips könnten eine entscheidende Rolle beim Aufbau einer energieeffizienten Infrastruktur für Künstliche Intelligenz (KI) spielen, meint Q.ant-Chef Michael Förtsch. Bekanntlich wird der enorme Strombedarf für das Training und den Betrieb von KI-Systemen zunehmend zum Problem. „Da KI und datenintensive Anwendungen die konventionelle Halbleitertechnologie an ihre Grenzen bringen, müssen wir die Art und Weise, wie wir das Computing im Kern angehen, neu denken“, sagt der promovierte Physiker.
Abgeschaut von der Natur
Dieses neue Denken bezieht sich nicht nur darauf, dass der photonische Chip Lichtteilchen zum Rechnen nutzt, sondern auch auf die Verarbeitung der Daten. Während übliche Prozessoren digital arbeiten – also auf Basis von Nullen und Einsen –, rechnet der Q.ant-Chip analog. Der Vorteil: Die Ausgangsdaten müssen nicht erst in Digitalcode übersetzt werden und auch die Rückübersetzung der Ergebnisse entfällt.
Während digitale Prozessoren jedes Problem in viele kleine Stückchen zerhacken, kommen analoge Systeme mithilfe mathematischer Funktionen direkt zum Ergebnis. Förtsch nennt ein Beispiel: Ein digitaler Rechner setze einen Kreis aus einer großen Zahl von Geraden zusammen, ein analoger Rechner zeichne dagegen gleich einen Kreis. „Die Natur arbeitet ja auch nicht mit Nullen und Einsen“, sagt der Q.ant-Chef.
Eingesetzt werden sollen photonische Chips vor allem in Rechenzentren, um besonders aufwendige Berechnungen zu beschleunigen, wie sie etwa für das Training großer KI-Modelle oder für Simulationen benötigt werden. Denkbar sei auch die Integration in Rechenzentren von Firmen. Q.ant hat den Hightech-Chip zusammen mit weiteren Komponenten in ein Gehäuse gepackt, das sich direkt in die handelsüblichen Rechnerschränke einschieben lässt.
Für die Produktion der neuartigen Chips unter Reinraumbedingungen nutzt Q.ant zum einen vorhandene Anlagen, mit denen bei IMS Chips Halbleiter unterschiedlicher Bauart hergestellt werden können. Hinzu kommen neue Maschinen speziell für photonische Chips, in die das Unternehmen nach eigenen Angaben 14 Millionen Euro investiert hat. Die jährliche Produktionskapazität für die mit einer Verbindung aus Lithium und dem Metall Niob beschichteten Chips liegt laut Förtsch zunächst bei 60 000 Stück. Durch die teilweise Nutzung bestehender Anlagen und Verfahren könnten die Hightech-Bauteile gemessen an ihrer enormen Leistung vergleichsweise kostengünstig produziert werden, sagt Jens Anders, Institutsleiter von IMS Chips. Genauere Zahlen dazu nennen die Beteiligten nicht.
Die neue Chipgeneration kann nach Überzeugung von Anders und Förtsch auch die Abhängigkeit Deutschlands von ausländischen Zulieferern verringern. Während die Herstellung konventioneller Halbleiter in komplexen und entsprechend anfälligen globalen Lieferketten organisiert sei, könne man bei photonischen Chips alle wesentlichen Schritte des Produktionsprozesses an einem Ort erledigen. „Wir nehmen damit in einem extrem wichtigen Bereich der Technologie das Heft wieder selbst in die Hand“, so Förtsch. Aktuell dominiert der US-Hersteller Nvidia das Geschäft mit Chips für KI-Anwendungen. Auch Taiwan spielt eine zentrale Rolle als Zulieferer
„Das stärkt Deutschlands und Europas Rolle im globalen Computing-Ökosystem und Baden-Württembergs Rolle als Drehscheibe für technologische Innovationen“, sagt auch die baden-württembergische Wirtschaftsministerin Nicole Hoffmeister-Kraut (CDU) beim offiziellen Produktionsstart Anfang der Woche. Auch andernorts wird an photonischen Chips und analogen Rechnerarchitekturen gearbeitet, doch Förtsch sieht Q.ant im internationalen Vergleich sehr gut aufgestellt. „Meines Wissens gibt es derzeit weltweit keinen Wettbewerber, der etwas vergleichbar leistungsfähiges auf die Beine gestellt hat“.
Tochter von Trumpf
Gründung
Q.ant wurde 2018 als Tochterunternehmen des Ditzinger Laserspezialisten Trumpf gegründet und hat seinen Hauptsitz in Stuttgart. Beschäftigt werden mittlerweile mehr als 100 Menschen. Q.ant entwickelt und produziert neben photonischen Computerchips auch hochempfindliche Quantensensoren, mit denen sich auch sehr schwache Magnetfelder erfassen lassen. Die Technik lässt sich beispielsweise für die direkte Steuerung von Prothesen durch Nervenimpulse nutzen.
Forschung
Das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS Chips) wurde 1983 als Stiftung des bürgerlichen Rechts durch das Land Baden-Württemberg gegründet und hat seinen Sitz auf dem Forschungscampus Stuttgart-Vaihingen. Es wird zu rund einem Drittel durch das Land finanziert. Das Institut betreibt wirtschaftsnahe Forschung auf dem Gebiet der Mikroelektronik. Zu den Schwerpunkten zählen Silizium-Photonik, integrierte Schaltungen und Systeme sowie Nanostrukturierung.