Chipfertigung: Analoge photonische NPU (Nativ Processing Unit)

[Complicated]

Für eine neue Chipklasse die nativ mit Licht rechnet sind völlig andere Fertigungstechnologien nötig. Hier können fortgeschrittene Fertigungen nicht eingesetzt werden, da diese zu klein sind um Licht auf dem Chip zu leiten. Daher entstehen derzeit völlig neue Foundries und alte Chipfabriken könnten weltweit einen zweiten Frühling erleben.

Kontext für die Produktklasse analoge photonische Prozessoren:
https://forum.planet3dnow.de/index.php?threads/q-ant-photonische-npu-f%C3%BCr-hpc.502793/
Funktionsweise und Technologie
Rechnen mit Licht: Im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Prozessoren (CMOS-Technologie), die auf Transistoren und elektrischen Signalen basieren, nutzt die NPU von Q.ANT Photonen (Lichtteilchen) für Berechnungen.
Energieeffizienz: Da Licht beim Ausbreiten im Chip kaum Widerstand erfährt und keine Wärmeableitung wie bei elektronischen Komponenten benötigt, ist die NPU bis zu 30-fach energieeffizienter und benötigt keine zusätzliche Kühlung.
Analoge Verarbeitung: Die Chips arbeiten analog, indem sie komplexe mathematische Funktionen durch die natürlichen Eigenschaften und die Interferenz von Lichtwellen ausführen. Beispielsweise kann eine Fourier-Transformation, die in der Elektronik Millionen von Transistoren benötigt, mit einem einzigen optischen Element durchgeführt werden.
Materialbasis: Q.ANT verwendet eine firmeneigene Chipmaterial-Plattform, die auf Dünnfilm-Lithiumniobat (TFLN) basiert. Dieses Material ermöglicht eine präzise und schnelle Steuerung des Lichts auf Chipebene.
Architektur: Die Technologie wird als LENA (Light Empowered Native Arithmetics) Architektur bezeichnet und liefert analoge Co-Verarbeitungsleistung.


Chipfertigung
Thin-film lithium niobate (TFLN): https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-6-9193 (https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-6-9193)
Fertigungsstrukturen 45nm und größer, ohne EUV Bedarf. Alte Fabs können genutzt werden.
Produzierende Foundrys:


CRAFT Fertigung in der Schweiz

A spin-off from Swiss innovation center CSEM, launches the world’s first production-ready foundry for Thin-Film Lithium Niobate (TFLN) photonic chips.
https://www.ecocexhibition.com/exhi...-ready-tfln-foundry-launches-in-switzerland-2 (https://www.ecocexhibition.com/exhibitor-news/worlds-first-production-ready-tfln-foundry-launches-in-switzerland-2)

IMS/Q.ANT Fertigungslinie in Stuttgart. (90nm)

Am IMS CHIPS, einem Institut der Innovationsallianz Baden-Württemberg, wurde eine wegweisende Pilotlinie für photonische KI-Chips eröffnet.
https://www.innbw.de/de/news/detail/q-ant-ims-chips-pilotlinie-erfolgreich-eingeweiht
https://www.eetimes.com/production-of-q-ant-photonic-ai-accelerators-begins-in-stuttgart/

TSMC integriert solche Chips und benötigte Interfaces
https://tspasemiconductor.substack.com/p/tsmcs-silicon-photonics-architecture
Through platforms such as COUPE, EPIC-BOE, and iOIS, TSMC is steadily building a comprehensive ecosystem to support Co-Packaged Optics (CPO) and high-bandwidth optical modules.
CHIPX und Turing Quantum (China)
https://thequantuminsider.com/2025/11/15/chinas-new-photonic-quantum-chip-promises-1000-fold-gains-for-complex-computing-tasks/
The chip, developed by CHIPX and Turing Quantum, features dense optical integration, rapid design cycles, and a pilot production line capable of producing 12,000 six-inch wafers annually, positioning China to scale photonic hardware for data centers, AI workloads and quantum research.

[Badesalz]

Ich hätte sonst gesagt, in jenem Kontext, daß hier NPU für Neural und nicht für Native steht.

Wenn das NPUs sind... Kann das dann auch gut Training, neben Inference? (als Laie ;) )

[Complicated]

Die umfangreiche Quellen helfen beim einlesen in das Thema, dafür sind sie da.
Sowohl für die gewählten Kürzel der Hersteller als auch Anwendungsgebiete.

[Badesalz]

Das ist ein Jahr alt. Wo ist die Revolution? Irgendwas ist da noch... (?)
https://www.datacenter-insider.de/qant-bringt-ersten-kommerziellen-photonik-prozessor-auf-den-markt-a-486debb67a66093822a679cadceb2e2b/

[Complicated]

Welche Revolution? Hier geht es um Markteinführung und reale Produkte in 2026.
Zitat aus verlinkter Quelle:
Die Q.ANT Server mit der neusten Prozessorgeneration NPU 2 sind ab sofort bestellbar und können im ersten Halbjahr 2026 bezogen werden. Die schlüsselfertigen Server sind in jedem Rechenzentrum einsetzbar und lassen sich nahtlos in bestehende HPC-Infrastrukturen integrieren.

[ChaosTM]

Das ist ein Jahr alt. Wo ist die Revolution? Irgendwas ist da noch... (?)
https://www.datacenter-insider.de/qant-bringt-ersten-kommerziellen-photonik-prozessor-auf-den-markt-a-486debb67a66093822a679cadceb2e2b/


Wir wissen noch nicht, was diese Architektur wirklich leisten kann.
Möglicherweise ist es ein Nothing Burger oder ..


Aja, badesalz - les dich in dieses Analoge Computing ein - ist was völlig anderes

[Platos]

Irgendwie habe ich schon 2-3 mal von super tollen photonischen Chips gelesen, aber irgendwie wurde dann doch nie was draus.

Inwiefern sollte sich das jetzt ändern?

[Complicated]

Diese Frage wird in diesem Artikel erörtert:
https://pollington.medium.com/the-future-of-ai-compute-is-photonics-or-is-it-737354349143
Einige Punkte die ich sehe:

Die Memory-Wall
Die Energy-Wall und Folgekosten für Kraftwerke, welche obsolet werden bei analogem Compute unterhalb 16 bit.
Weil die Chinesen keinen Zugang zu EUV und Advanced Packaging haben und dies eine Alternative ist für HPC/AI Workloads, die sie eigenständig umsetzen können (90/45nm)
Weil es viele ältere Fabs gibt, die auf diesen Zug aufspringen können.
Weil Nvidia und AMD ebenfalls viel Geld investieren
Weil Jülich HPC betreibt, wo diese Produkte eingesetzt werden und Pilot-Fertigungslinien für TFLN-Chips in Deutschland, Schweiz und China entstanden sind und Wafer produzieren.

https://www.pcgameshardware.de/CPU-CPU-154106/News/Silizium-Photonik-Jensen-Huang-1479895/
Trotz seiner vorsichtigen öffentlichen Haltung verfolgt Nvidia keineswegs eine Anti-Photonik-Strategie. Das Unternehmen plant die Einführung seiner Quantum-X- und Spectrum-X-Switches in der zweiten Jahreshälfte 2025 respektive 2026. Diese Produkte nutzen TSMCs COUPE-Technologie (Compact Universal Photonic Engine), die 220 Millionen Transistoren mit 1.000 photonischen integrierten Schaltkreisen kombiniert.

Treffender Kommentar unter dem Artikel:
Die haben fast 7 MILLIARDEN Dollar für Mellanox auf den Tisch gelegt, einen der größten Player für Hochgeschwindigkeits-Netzwerke, der schon längst Photonik-Firmen gekauft hatte. 7 Milliarden! Und dann stellt der sich hin und redet die Technologie klein?

Die stecken auch Geld in die ganzen neuen Firmen. Bei Ayar Labs sind sie in einer 155-Millionen-Dollar-Runde mit drin. Bei Xscape Photonics haben sie bei der 44-Millionen-Runde auch kräftig mitgeholfen.
Die pumpen also Unsummen in die Technologie, sichern sich die Experten und die Patente, und erzählen der Öffentlichkeit dann so einen Müll, damit die Konkurrenz weiter auf Kupfer setzt.

[Platos]

Danke für deine Ausführung!

Aber wo soll das Speicherproblem durch Photonics gelöst werden? Datenleitung, die photonisch anstatt elektrisch funktionieren, habe ich mir jetzt schon nicht unter dem ganzen vorgestellt. Wirkliche Compute-Chips sind das ja nicht.

Und ja, es gibt Ansätze für In-Momory-Compute, aber das ist hald alles gefühlt noch in der Forschung. Der Artikel ist interessant, aber hauptsächlich gehts da um schön klingende Technologien, aber das tun alle immer.

Wie da im Artikel auch steht, konzentrieren sich anscheinend jetzt die meisten "Photonik"-Unternehmen auf Interconnects bzw. Datenverbindung, also gehen Weg von Computechips. Fûr mich ist das eher ein Zeichen gegen photonische Computechips in den nächsten 10 Jahren in bekannter Consumerhardware. Auch die nvidia-Teiler sind Datenverbindung.

China scheint mir da noch das grösste Argument zu sein für photonische Compute-Chips. Aber auch die werden zuerst auf Datenverbindung setzten.

Ich würde also sagen:
1. Datenverbindung, Interconnects etc.
2. Echte Compute-Chips
3. Speicher ganz am Schluss

Und bis wir bei 2. sind, denke ich, gehts noch 10-15 Jahre im Minimum. Also ich meine jetzt nicht irgendwo in einem Industrieprodukt, sondern wirklich Consumer Massenproduktion.

Aber: ich persönlich halte Photonics für eine unausweichliche Ablösung von Elektronik. Aber mir scheint das nicht so schnell zu kommen bei Compute Chips.

[Nakai]

Das ist ein Jahr alt. Wo ist die Revolution? Irgendwas ist da noch... (?)
https://www.datacenter-insider.de/qant-bringt-ersten-kommerziellen-photonik-prozessor-auf-den-markt-a-486debb67a66093822a679cadceb2e2b/

Für 90% der Usecase wäre analoge Verarbeitung absolut ausreichend. Das ist definitiv eine Produktklasse ohne Konkurrenz, wenn das ganze Ecosystem funktioniert. Der Energieverbrauch ist dabei der ausschlaggebende Faktor. Photonische PUs sind unglaublich stark bei SIMD. SIMD kennt ja jeder. Das funktioniert hier so, dass ein Lichtstrahl, mit etwa x Werten eincodiert, und eine "dumme" SIMD Operation mit Operaden (Lichtstrahl Nr. 2 auch nochmal mit X eincodierten Werten) eben alle X Resultate gleichzeitig parallel analog berechnet. So blöd es klingt, man kreuze zwei Lichtstrahlen mit eincodierten Werten und der resultierende Lichtstrahl enthält die Ergebnisse. Was ist das nun? Typisches SIMD. Matrixberechnungen, Vektorberechnungen, alles das was keine Diskreten Werte benötigt, könnte davon massiv profitieren, weil der Energieverbrauch so extrem gering ist.

Ob es wirklich was wird, hängt vom Umfeld und dem Ecosystem ab.

[Badesalz]

@Complicated
Auch wenn die Grundlagen sehr ähnlich sind, könnte es dem Verständnis zuträglich sein derartige Chips nicht mit schlichtem CPO für die Netzwerktechnik durcheinanderzubringen?

@Nakai
Soweit klar. Daher die "Revolution". Nur das Tsunami will sich bisher irgendwie nicht anbahnen. Hmm. Könnte es, daß so ein Ding seine eigene stack-basis braucht und keiner mehr damit jemals an NV und AMD rankommt?

Oder woran? Daß wir damit "an der Schwelle" stehen ;), das nehme ich gerne so an. Irgendwas fehlt aber für die Zündung, damit man sagen könnte, da glüht was.
Q.ANT hat aber schonmal Herman Hauser als Investor und Berater :up: Der hat imho in Lasertechnik promoviert =)

edit:
Die SC25 ist auch so ein Beklopptenkonferenz geworden... Warum muss ich mich registrieren um das zu sehen? :mad:
https://sc25.conference-program.com/presentation/?id=pan107&sess=sess349

edit 2:
"„Der NPS von Q.ANT lässt sich leicht in unsere bestehende Infrastruktur integrieren, wir können ihn sofort in praktischen Szenarien bewerten."

Ja bestens. Seit Ende Juli bereits. Haben sie schon etwas über ihre Bewertung kommuniziert?
https://badw.de/die-akademie/presse/pressemitteilungen/pm-einzelartikel/detail/leibniz-rechenzentrum-rechnet-jetzt-mit-licht.html

[Complicated]

@Badesalz
Niemand ausser dir vermischt CPOs mit NPUs. Lies dich in das Thema ein, ChaosTM hat es schon auf den Punkt gebracht.

Die Energieeffizienz der NPUs ist nur dann gegeben, wenn keine Konvertierung digital zu analog und umgekehrt nötig ist. Daher ist der Interconnect mit CPOs die Voraussetzung für die Skalierung im Datacenter ohne Verlust der Energieeffizienz. Optische Berechnungen müssen dafür dann auch optisch geclustert sein. Logisch fängt man bei den Innterconnects an, da dort auch die Bandbreiten für digitale Hardware geliefert wird, die ebenfalls benötigt wird.

Eine analoge photonische CPU/NPU kann parallel berechnen, was ansonsten 100 digitale CPU-Kerne berechnen - der Stromverbrauch für den Lichtstrahl ist identisch - unabhängig davon wie viele analoge Frequenzen genutzt werden. Die Herausforderung liegt darin die Frequenzbreite immer schmaler zu bekommen und auf dem Chip dadurch mehr parallele Berechnungen zu ermöglichen. Die Bandbreite für den HPC-Cluster können nur CPOs bieten ohne digitale Konvertierung. Hier ist klar was die Henne und was das Ei ist.

Es geht es allerdings nicht um die Chips, sondern um die Fertigung der Chips und das Ökosystem der Fertigung mit Thin-film lithium niobate (TFLN). Steht auch im Threadtitel und meinem Startbeitrag.

[Badesalz]

Es geht es allerdings nicht um die Chips, sondern um die Fertigung der Chips und das Ökosystem der Fertigung mit Thin-film lithium niobate (TFLN). Steht auch im Threadtitel und meinem Startbeitrag.Dann hast du mich diesmal tatsächlich :usweet: Das hat mein Cortex komplett ausgeblendet.

Man verzeiht.

[Complicated]

Man verzeiht.
Gerne!

[Badesalz]

Wobei die Frage, nun OnT, stellt sich trotzdem:
Ist die Fertigung überhaupt so ein Punkt? Daß es funktioniert ist die Frage wie man es baut, aber ist dann die Fertigung selbst so ein Thema bei 45nm?

Ich mein q.ant hat seine Gen1 und Gen2 ohne der Hilfe von TSMC (?) hergestellt bekommen (??) Oder wer hat die gebacken?

[Complicated]

1.000 Wafer/Jahr werden für Q.Ant in Stuttgart in 90nm produziert - siehe Startbeitrag und dortige Links zu den mir bisher bekannten 3 Fertigungslinien weltweit.

[Platos]

Sin die 3 genannten Fertigungslinien denn "neu" oder umgebaute "alte" ? Also heisst das nun, dass die Fertigunglinie exklusiv für Photonics apezialisiert ist oder läuft die Fabrik für photonics und teils für elektronik.

[Complicated]

Im Link des Startbeitrages ist diese Frage beantwortet. Ebenso die Kosten dafür.
Ich werde auf keine Fragen mehr antworten die schon im ersten Beitrag des Thread von mir zusammengetragen wurden um euch Kontext zu geben zu dem Thema. Interessiert-> lesen, denn ich bin nicht ChatGPT.