In der heutigen Entwicklung der künstlichen Intelligenz (KI) stellt die Datenübertragungsgeschwindigkeit einen wichtigen Engpass dar. Um diese Hürde zu überwinden, entwickelt ein von der Universität Michigan (U-M) geleitetes Forschungsteam ein völlig neues Chip-Verbindungssystem, das Lichtwellen anstelle von herkömmlichen Kabeln für die Datenübertragung nutzt. Diese Innovation verspricht, das Problem der „Memory Wall“, die die Rechengeschwindigkeit begrenzt, zu lösen und das weitere Wachstum von KI-Modellen voranzutreiben.
Das Projekt erhielt eine Förderung von 2 Millionen US-Dollar vom Future Semiconductor Program der National Science Foundation. Beteiligt sind die Universität Washington, die Universität Pennsylvania, das Lawrence Berkeley National Laboratory sowie vier Industriepartner: Google, Hewlett Packard Enterprise, Microsoft und Nvidia. Obwohl sich die Datenverarbeitungsgeschwindigkeit in den letzten 20 Jahren um das 60.000-fache erhöht hat, hat sich die Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen Computer-Speicher und Prozessor nur um das 30-fache verbessert. Dieses ungleiche Verhältnis macht die Datenübertragung zum größten Hindernis für die Skalierung von KI-Modellen.
Die Leiterin des Projekts, Professorin Di Liang (李洋) für Elektrotechnik und Informatik an der U-M, erklärt: „Unsere Technologie ermöglicht es, Hochleistungsrechnen mit dem wachsenden Datenstrom Schritt zu halten. Durch optische Verbindungen erwarten wir Datenübertragungsraten von mehreren zehn Terabit pro Sekunde, mehr als 100-mal schneller als aktuelle elektrische Verbindungen.“
Derzeit basiert die Datenübertragung zwischen mehreren Speicher- und Prozessorchips auf Metallverbindungen, die in Bezug auf Geschwindigkeit und Bandbreite stark eingeschränkt sind. Mit der zunehmenden Größe von KI-Modellen stößt das aktuelle System von fest verdrahteten Verbindungen an seine Grenzen. Das neue Design des Forschungsteams nutzt die Übertragungseigenschaften von Licht und überträgt Daten zwischen den Chips über Kanäle, die als Lichtwellenleiter bezeichnet werden, wodurch die Datenübertragungseffizienz erheblich gesteigert wird.
Ein weiterer Vorteil der neuen Technologie ist ihre Rekonfigurierbarkeit. Die Forscher planen, spezielle Phasenwechselmaterialien zu verwenden, deren Brechungsindex sich bei Anregung durch Laser oder Spannung ändert, wodurch die Lichtwege flexibel angepasst werden können. Wie Projektmitarbeiter Professor Liang Feng (冯洋) von der Universität Pennsylvania sagt: „Es ist wie das Öffnen und Schließen von Straßen. Wenn Unternehmen diese Technologie zur Herstellung von Chips einsetzen, können sie die Verbindungen verschiedener Chargen von Chips und Servern neu schreiben, ohne das Layout anderer Komponenten zu ändern.“
Darüber hinaus wird das Forschungsteam eine Software zur Verkehrsregelung entwickeln, die in Echtzeit überwacht, welche Chips kommunizieren müssen, um die Verbindungen sofort anzupassen. Diese flexible Verbindungsart erhöht nicht nur die Datenverarbeitungsleistung, sondern kann auch an die Anforderungen verschiedener KI-Modelle dynamisch angepasst werden.
Das Projekt wird den Studierenden der U-M auch die Möglichkeit bieten, mit der Industrie zusammenzuarbeiten und wertvolle praktische Erfahrungen in einem sich schnell entwickelnden Technologiebereich zu sammeln. Professorin Li erklärt: „Die Zusammenarbeit mit der Industrie ermöglicht es den Studierenden, ein besseres Verständnis für moderne…“