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Blaupause für Chipindustrie Qant und IMS Chips wandeln Halbleiterfertigung in Zukunftsschmiede für photonische KI-Chips um

Von Qant GmbH 5 min Lesedauer

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Am Institut für Mikroelektronik Stuttgart IMS Chips baut Qant eine Pilotlinie für photonische KI-Prozessoren auf. Die unternehmenseigenen patentierten Prozesse werden zu diesem Zweck mit bestehenden Produktionsanlagen vereint.

Der 'TFLN'-Chip von Qant erlaubt das Rechnen mit Licht; er basiert auf Thin-Flm Lithium Niobat.(Bild: Qant GmbH)
Der 'TFLN'-Chip von Qant erlaubt das Rechnen mit Licht; er basiert auf Thin-Flm Lithium Niobat.
(Bild: Qant GmbH)

Qant ist ein Pionier des photonischen Rechnens für Künstliche Intelligenz (KI). Zusammen mit dem Stuttgarter Institut etabliert er nun eine durchaus wegweisende Blaupause für die souveräne Chipproduktion. Es entsteht eine einzigartige Pilotlinie für die energiesparenden photonischen Chips.

Dabei darf die Nutzung der vor Ort bestehende Infrastruktur als ressourcenschonend gelten und daher wegweisend für eine Zukunft in der Halbleiterindustrie. Denn das Projekt liefert Inspiration für das Upcycling von existierenden Chip-Foundries. Am gestrigen Montag war das symbolische Kick-off in Anwesenheit von Regierungsvertretern, etwa der baden-württembergischen Wirtschaftsministerin Nicole Hoffmeister-Kraut, und Branchenführern.

Obwohl die Qant-Prozessoren mit Licht rechnen, können die Partner demonstrieren, wie sich bereits bestehende Halbleiterfertigungsstrecken für die nächste Generation von Hochleistungschips nutzen lassen. Eine solche Verwendung stärkt die technische Souveränität einer europäischen Chipproduktion, reduziert sich doch die Abhängigkeit von globalen Lieferketten und unterstreicht Europas Innovationskraft im Halbleiterbereich.

Über Qant und die Technik

Qant ist ein Deep-Tech-Unternehmen, das Pionierarbeit in den Bereichen photonisches Computing und Quantensensorik leistet. Seine Native Sensing-Technologie ermöglicht die präzise Erkennung von elektrischen und magnetischen Feldern, während seine Native Computing Business Unit photonische Prozessoren entwickelt, die Informationen mit Hilfe von Licht verarbeiten und so neue Effizienzniveaus für KI und High-Performance-Computing (HPC) erschließen.

Die auf dem „Qant Para.digm“-Framework aufbauende Technologie des Unternehmens überwindet die Grenzen herkömmlicher Elektronik und eröffnet neue Möglichkeiten in Branchen wie KI, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt und Fertigung. Qant wurde 2018 als Spin-off von Trimpf gegründet und hat seinen Hauptsitz in Stuttgart.

Anwendungen, Roadmap und Auswirkungen

Die photonischen Native Processing Servers (NPS) von Qant verarbeiten Daten mithilfe von Licht und nicht mit Elektronen wie in herkömmlichen CMOS-Prozessoren. Dieser Paradigmenwechsel ermöglicht es dem Unternehmen, mathematische Operationen künftig viel effizienter durchzuführen.

Qant hat das Potenzial der Technologie bereits in Cloud-zugänglichen KI-Inferenzdemos gezeigt. Durch die PCIe-Integration können die NPS des Herstellers in bestehende HPC-Server integriert werden, was die Akzeptanz im Markt erheblich erleichtern dürfte.

Das Unternehmen plant, seine Native Processing Servers (NPS) als elementaren Baustein der KI-Infrastruktur zu etablieren, um die für die KI der nächsten Generation erforderlichen Rechenaufgaben effizient zu lösen. Diese sind für die aktuelle Halbleitertechnologie zu komplex, zu Energiei-ntensiv und daher zu teuer. Mögliche Anwendungsbereiche sind beispielsweise:

  • Training/Inferenz für KI-Modelle mit Milliarden von Parametern
  • physikalische Simulationen
  • Echtzeitanwendungen für partielle Differentialgleichungen, zum Beispiel Fluid-Dynamik
  • Tensoroperationen mit hoher Dichte, die für Maschinelles Lernen (ML) grundlegend sind

Über das IMS Chips

IMS Chips, Institut für Mikroelektronik Stuttgart, betreibt wirtschaftsnahe Forschung auf dem Gebiet der Mikroelektronik in den Bereichen Silizium-Photonik, integrierte Schaltungen und Systeme, Nanostrukturierung und MEMS. Es ist eine als gemeinnützig anerkannte Stiftung des bürgerlichen Rechts und hat seinen Sitz auf dem Forschungscampus Stuttgart-Vaihingen. Das Institut ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW), einer Kooperation von zehn baden-württembergischen Auftragsforschungseinrichtungen mit insgesamt zwölf Instituten.

Schnell und effizient

Die photonischen Chips von Qant liegen im Tremd und versprechen durchaus revolutionäres Potenzial: Für KI-Berechnungen in großen Rechenzentren wird eine 30-fache Energie-Einsparung und 50-fach schnellere Rechenleistung angestrebt. Das könnte den Weg für eine nachhaltige KI-Chiptechnologie „Made in Germany“ ebnen.

Qant hat insgesamt 14 Millionen Euro in Maschinen und Anlagen investiert, um die erweiterte Fertigungslinie für photonische Chips zu komplettieren. Qant-CEO Michael Förtsch führt aus: „Diese Herangehensweise ermöglicht es prinzipiell jedem Land, sich in der KI-Chipfertigung unabhängig zu machen und gleichzeitig Energie-effiziente Chiplösungen zu produzieren.“ Da KI und datenintensive Anwendungen die konventionelle Halbleitertechnologie an ihre Grenzen bringe, müssten die Art und Weise, wie das Computing im Kern angegangen und neu gedacht werden.

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Qant stelle den Status-quo in Frage, indem es photonische Datenverarbeitung nutze, um eine exponentiell höhere Energie-Effizienz und Rechendichte zu erreichen. Er sagt: „Mit dieser Pilotlinie beschleunigen wir die Markteinführung und legen den Grundstein für eine Zukunft, in der photonische Prozessoren zu Standard-Co-Prozessoren im Hochleistungsrechnen werden.“

Das ist jedoch nicht gleich übermorgen soweit. „Unser Ziel ist es, unsere photonischen Prozessoren bis 2030 zu einem skalierbaren und Energie-effizienten Eckpfeiler der KI-Infrastruktur zu machen“, so Förtsch. Als wichtiger Eckpfeiler in der Wertschöpfungskette ermögliche die Pilotlinie, die Chip-Architektur weiterzuentwickeln, um zukünftigen Anforderungen im Markt gerecht zu werden. Sie soll jährlich bis zu 1.000 Wafer produzieren, die als R&D-Basis für die Photonischen Native Processing Units von Quant und Native-Processing-Server (NPS) für High-Performance-Computing-Rechenzentren dienen.

Wir ersetzen keine GPUs – wir stellen das Compute-Ökosystem der nächsten Generation neu auf. So wie die GPUs die CPUs ergänzt haben, wird die Photonik den nächsten Sprung der KI ermöglichen – und zwar nachhaltig.

Michael Förtsch

Die Pilotlinie ist speziell für Thin-Flm Lithium Niobat (TFLN) ausgelegt, das als optimales Material für photonische Berechnungen und entscheidend für den Erfolg der Technologie gilt. Es ermöglicht eine ultraschnelle optische Signalmanipulation bei mehreren Gigahertz, ohne dass Wärme zur Modulation des Lichts auf dem photonischen Schaltkreis erforderlich ist. Dieser Vorteil führt im Vergleich zu heutigen Möglichkeiten zu einer präziseren und Energie-effizienteren Steuerung des Lichts. Daraus resultiert letztlich eine erhebliche Steigerung der Rechenleistung und Energie-Effizienz.

Förtsch setzt hinzu: „Vor sechs Jahren haben wir eine mutige Wette auf Thin-Film Lithium Niobat abgeschlossen, und heute verschafft uns diese Entscheidung einen bedeutenden Vorteil. Durch die Kombination unserer Photonik-Expertise mit unserer durchgängigen Kontrolle der Wertschöpfungskette – vom Rohmaterial bis zum fertigen Prozessor – sind wir einzigartig positioniert, um die nächste Generation des Computing voranzutreiben und die Energie- und Leistungsherausforderungen von KI und HPC neu zu gestalten.“

Professor Jens Anders sieht in der Pilotlinie eine Blaupause für Energie-effizientes Next-Generation Computing. Der Direktor und CEO von IMS Chips sagt: „Diese Pilotlinie am IMS Chips beweist, dass transformative Technologien auf der bestehenden Infrastruktur optimal genutzt werden und als Blaupause für die Zukunft des Energiee-ffizienten Computing der nächsten Generation dienen können.“

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Dies geschehe zu einem kritischen Zeitpunkt für die Computerindustrie, da das exponentielle Wachstum von KI und datenintensiven Anwendungen die aktuelle Rechenzentrumsinfrastruktur zeitnah überfordern werde. Anders ergänzt: „Bei der Zusammenarbeit mit Qant nutzen wir unsere Expertise in der Halbleiterfertigung, um die Entwicklung und Industrialisierung der nächsten Generation von photonischen Prozessoren zu unterstützen und gleichzeitig ein reproduzierbares Modell für Energie-effizientes Computing zu schaffen – ein entscheidender Schritt für die Zukunft der KI.“

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