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Photonen statt Elektronen für revolutionäre Prozessoren

18.01.2021

Moderne Rechenkapazitäten klassischer Prozessorarchitekturen haben sich erschöpft, da ist sich IBM sicher. Darüber hinaus sind sie zu einem Hindernis für die Entwicklung von Systemen für maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz geworden. Ein Durchbruch wird in der Entwicklung der Siliziumphotonik und des Memory Computing gesehen, wo Daten dort verarbeitet werden, wo sie gespeichert sind. Und heute hat IBM bewiesen, dass sie den Weg zur Elektronik der Zukunft gefunden haben, in der statt Elektronen Photonen durch Schaltkreise fliegen.

IBM hat sich mit Wissenschaftlern aus mehreren Ländern zusammengetan, um ein optisches Computersystem zur Beschleunigung neuronaler Netze zu entwickeln und zu implementieren. Insbesondere hat das Unternehmen einen „photonischen Tensorkern“ geschaffen, der in der Lage ist, die sogenannte Faltungsoperation – eine mathematische Operation an zwei Funktionen, die eine dritte Funktion ausgibt – in einem Zeitschritt durchzuführen. Dies ist normalerweise eine einfache Addition oder Multiplikation, aber die Verarbeitung eines einzelnen Datenelements erfordert Milliarden solcher Operationen, daher sind niedrige Latenz und geringer Verbrauch wichtige Anforderungen für solche Systeme.

Das Durchführen von Operationen an Daten im Speicher ist eine zusätzliche Gelegenheit, sowohl Verbrauch als auch Latenz zu sparen, da Daten nicht zum Prozessor und zurück übertragen werden müssen. Im Design von IBM wurden Daten in Speicherzellen basierend auf einem Phasenwechselspeicher gespeichert und verarbeitet.

Der nächste Schritt zur Beschleunigung der Datenverarbeitung ist das Wavelength Division Multiplexing (WDM). Mit anderen Worten, die Daten wurden in Form von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen an den Speicherblock gesendet. Dieser Ansatz ermöglicht sowohl die Erweiterung des Datenübertragungskanals (Frequenzerweiterung) als auch die parallele Durchführung von Operationen am Photonendatenstrom. Während Elektronen nacheinander in Schaltkreisen flossen, ermöglichen photonische Schaltkreise einen parallelen Datenfluss und die gleichzeitige Verarbeitung jedes der Flüsse. Dies ist eine enorme Beschleunigung der Datenverarbeitung!

Als Experiment wurde eine 9 x 4-Matrix mit maximal vier Eingangsvektoren pro Zeitschritt erstellt, die jeweils als Lichtstrahlung mit einer anderen Wellenlänge übertragen wurden. Für MAC-Operationen (Multiply-Accumulate) zeigte die Matrix eine Leistung von 2 TOPS/s bei einer Modulationsrate von 14 GHz. IBM geht davon aus, dass das vorgeschlagene Schaltungsdesign dazu beitragen wird, eine In-Memory-Leistung von photonischen Schaltungen auf einem Niveau von PetaMAC/s pro mm2 (Tausende Billionen von MAC-Operationen) zu erreichen, was drei Größenordnungen über dem heutigen Niveau von 1 TOPS/mm2 für Strom liegt Elektronik.

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Neueste Nachrichten aus Wissenschaft und Technik, neue Elektronik:

Die Existenz einer Entropieregel für die Quantenverschränkung wurde nachgewiesen 09.05.2024

Die Quantenmechanik überrascht uns immer wieder mit ihren mysteriösen Phänomenen und unerwarteten Entdeckungen. Kürzlich stellten Bartosz Regula vom RIKEN Center for Quantum Computing und Ludovico Lamy von der Universität Amsterdam eine neue Entdeckung vor, die sich mit der Quantenverschränkung und ihrem Zusammenhang mit der Entropie befasst. Quantenverschränkung spielt eine wichtige Rolle in der modernen Quanteninformationswissenschaft und -technologie. Aufgrund der Komplexität seiner Struktur ist es jedoch schwierig, es zu verstehen und zu verwalten. Die Entdeckung von Regulus und Lamy zeigt, dass die Quantenverschränkung einer Entropieregel folgt, die der für klassische Systeme ähnelt. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven im Bereich der Quanteninformationswissenschaft und -technologie und vertieft unser Verständnis der Quantenverschränkung und ihrer Verbindung zur Thermodynamik. Die Ergebnisse der Studie weisen auf die Möglichkeit der Reversibilität von Verschränkungstransformationen hin, was ihre Verwendung in verschiedenen Quantentechnologien erheblich vereinfachen könnte. Eine neue Regel öffnen ... >>

Mini-Klimaanlage Sony Reon Pocket 5 09.05.2024

Der Sommer ist eine Zeit der Entspannung und des Reisens, doch oft kann die Hitze diese Zeit zu einer unerträglichen Qual machen. Lernen Sie ein neues Produkt von Sony kennen – die Mini-Klimaanlage Reon Pocket 5, die verspricht, den Sommer für ihre Benutzer angenehmer zu gestalten. Sony hat ein einzigartiges Gerät vorgestellt – den Reon Pocket 5 Mini-Conditioner, der an heißen Tagen für Körperkühlung sorgt. Damit können Benutzer jederzeit und überall Kühle genießen, indem sie es einfach um den Hals tragen. Diese Mini-Klimaanlage ist mit einer automatischen Anpassung der Betriebsmodi sowie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren ausgestattet. Dank innovativer Technologien passt Reon Pocket 5 seinen Betrieb an die Aktivität des Benutzers und die Umgebungsbedingungen an. Benutzer können die Temperatur einfach über eine spezielle mobile App anpassen, die über Bluetooth verbunden ist. Darüber hinaus sind speziell entwickelte T-Shirts und Shorts erhältlich, an denen ein Mini-Conditioner angebracht werden kann. Das Gerät kann oh ... >>

Energie aus dem Weltraum für Raumschiff 08.05.2024

Mit dem Aufkommen neuer Technologien und der Entwicklung von Raumfahrtprogrammen wird die Erzeugung von Solarenergie im Weltraum immer machbarer. Der Leiter des Startups Virtus Solis teilte seine Vision mit, mit dem Raumschiff von SpaceX Orbitalkraftwerke zu bauen, die die Erde mit Strom versorgen können. Das Startup Virtus Solis hat ein ehrgeiziges Projekt zur Schaffung von Orbitalkraftwerken mit dem Starship von SpaceX vorgestellt. Diese Idee könnte den Bereich der Solarenergieerzeugung erheblich verändern und sie zugänglicher und kostengünstiger machen. Der Kern des Plans des Startups besteht darin, die Kosten für den Start von Satelliten ins All mithilfe von Starship zu senken. Es wird erwartet, dass dieser technologische Durchbruch die Solarenergieproduktion im Weltraum gegenüber herkömmlichen Energiequellen wettbewerbsfähiger machen wird. Virtual Solis plant den Bau großer Photovoltaikmodule im Orbit und nutzt Starship für die Lieferung der notwendigen Ausrüstung. Allerdings eine der größten Herausforderungen ... >>

Neue Methode zur Herstellung leistungsstarker Batterien 08.05.2024

Mit der Entwicklung der Technologie und dem zunehmenden Einsatz von Elektronik wird die Frage der Schaffung effizienter und sicherer Energiequellen immer dringlicher. Forscher der University of Queensland haben einen neuen Ansatz zur Herstellung von Hochleistungsbatterien auf Zinkbasis vorgestellt, der die Landschaft der Energiebranche verändern könnte. Eines der Hauptprobleme herkömmlicher wiederaufladbarer Batterien auf Wasserbasis war ihre niedrige Spannung, die ihren Einsatz in modernen Geräten einschränkte. Doch dank einer neuen, von Wissenschaftlern entwickelten Methode konnte dieser Nachteil erfolgreich überwunden werden. Im Rahmen ihrer Forschung wandten sich Wissenschaftler einer speziellen organischen Verbindung zu – Catechol. Es erwies sich als wichtige Komponente, die die Stabilität der Batterie verbessern und ihre Effizienz steigern kann. Dieser Ansatz hat zu einer deutlichen Spannungserhöhung der Zink-Ionen-Batterien geführt und sie damit wettbewerbsfähiger gemacht. Laut Wissenschaftlern haben solche Batterien mehrere Vorteile. Sie haben b ... >>

Alkoholgehalt von warmem Bier 07.05.2024

Bier, eines der häufigsten alkoholischen Getränke, hat einen ganz eigenen Geschmack, der sich je nach Temperatur des Konsums verändern kann. Eine neue Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams hat herausgefunden, dass die Biertemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks hat. Die vom Materialwissenschaftler Lei Jiang geleitete Studie ergab, dass Ethanol- und Wassermoleküle bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Arten von Clustern bilden, was sich auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks auswirkt. Bei niedrigen Temperaturen bilden sich eher pyramidenartige Cluster, wodurch die Schärfe des „Ethanol“-Geschmacks abnimmt und das Getränk weniger alkoholisch schmeckt. Im Gegenteil, mit steigender Temperatur werden die Cluster kettenförmiger, was zu einem ausgeprägteren alkoholischen Geschmack führt. Dies erklärt, warum sich der Geschmack einiger alkoholischer Getränke, wie z. B. Baijiu, je nach Temperatur ändern kann. Die Erkenntnisse eröffnen Getränkeherstellern neue Perspektiven, ... >>

Zufällige Neuigkeiten aus dem Archiv

Biologische Magnetorezeption 27.01.2021

Wissenschaftler vermuten seit langem, dass das Erd- oder Erdmagnetfeld das Verhalten von Tieren durch chemische Reaktionen beeinflussen könnte, weil Magnete Elektronen anziehen und abstoßen können. Wenn bestimmte Moleküle durch Licht angeregt werden, kann ein Elektron von einem Molekül zum anderen springen und zwei Moleküle mit einzelnen Elektronen bilden, die als Radikalpaare bekannt sind.

Einzelne Elektronen können sich in einem von zwei verschiedenen Spinzuständen befinden. Wenn zwei Radikale den gleichen Elektronenspin haben, laufen ihre nachfolgenden chemischen Reaktionen langsam ab, während Radikalpaare mit entgegengesetztem Elektronenspin schneller reagieren können. Magnetfelder können die Spinzustände von Elektronen und damit direkt chemische Reaktionen mit Radikalpaaren beeinflussen.

So interessierten sich die Japaner für Flavinmoleküle. Sie sind eine Untereinheit von Cryptochromen, Molekülen, die leuchten oder fluoreszieren können, wenn sie blauem Licht ausgesetzt werden. Dies sind wichtige lichtempfindliche Moleküle in der Biologie.

Wenn Flavine durch Licht angeregt werden, können sie entweder fluoreszieren oder Radikalpaare bilden. Diese Möglichkeit bedeutet, dass die Flavin-Fluoreszenzintensität davon abhängt, wie schnell die Radikalpaare reagieren. Japanische Forscher richteten einen Laser auf diese Moleküle, fügten aber gleichzeitig ein künstliches Magnetfeld hinzu, um zu verstehen, wie stark dieses Feld chemische Reaktionen und Fluoreszenz beeinflusst.

Die statistische Analyse der Lichtintensität zeigte, dass die Fluoreszenz der Zelle jedes Mal um etwa 3,5 % abnahm, wenn die Zellen in ein Magnetfeld gebracht wurden. Das bedeutet, dass blaues Licht Flavinmoleküle dazu anregt, Radikalpaare zu bilden, und daher gab es weniger Moleküle, die Licht emittieren konnten. Die Flavinfluoreszenz in der Zelle nahm ab, bis das Magnetfeld verschwand.

Wissenschaftler glauben, dass das sehr schwache Magnetfeld der Erde einen biologisch wichtigen Effekt auf die chemischen Prozesse hat, die in einem lebenden Organismus ablaufen. Und das ist bereits Magnetorezeption - das heißt, die Fähigkeit, ein Magnetfeld zu spüren und dank dessen im Raum zu navigieren.

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