Die Nutzung Künstlicher Intelligenz (KI) entwickelt sich rasend schnell – und mit ihr der Bedarf an leistungsstarken Rechenzentren. Generative KI-Anwendungen erfordern enorme Rechenressourcen, was in den letzten Jahren zu einer rapiden Steigerung des Energieverbrauchs geführt hat. Diese Entwicklung stellt die Betreiber von Rechenzentren vor ökologische und ökonomische Herausforderungen. Wie kann man die Energieaufnahme senken, ohne die wachsende Nachfrage nach Rechenleistung zu beeinträchtigen? Photonik könnte hier nach Ansicht der Autoren eines Papiers des VDE die Lösung sein.
Rechenzentren als Garanten für digitale Souveränität
In Deutschland und Europa spielen Rechenzentren eine zentrale Rolle für die digitale Souveränität und wirtschaftliche Stabilität. Mit rund 2.000 Rechenzentren, davon eine hohe Konzentration im Rhein-Main-Gebiet um Frankfurt, wird die Region durch den DE-CIX, einem der weltweit größten Internet-Knotenpunkte, geprägt. Rechenzentren müssen nicht nur den gesetzlichen Standards – wie dem Bundesdatenschutzgesetz (BDSG) und der Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) – entsprechen, sondern auch flexibel und skalierbar sein, um die steigenden Datenanforderungen der Gesellschaft zu bewältigen.
Der Energiebedarf der Künstlichen Intelligenz
Der Betrieb und das Training von großen KI-Modellen erfordert eine beeindruckende Menge an Energie. So hat das Training des GPT-3-Modells rund 1.287 Megawattstunden verbraucht – eine Energiemenge, die ein mittleres Atomkraftwerk in etwa einer Stunde erzeugen könnte. Die Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) ist inzwischen für etwa 2-4 % der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich, und es wird erwartet, dass der Energiebedarf von KI-Anwendungen bis 2027 auf über 100 Terawattstunden (TWh) anwachsen könnte. NVIDIA plant, bis Ende 2024 über zwei Millionen H100 KI-Beschleuniger auf den Markt zu bringen, deren Betrieb unter Volllast mehr Strom benötigt als ein großer Atomreaktor liefern kann.
Zusätzlich zum Training erfordert der alltägliche Betrieb von KI-Systemen ebenfalls hohe Energiereserven. Einfache Anfragen an ChatGPT verbrauchen pro Anfrage zwischen drei und neun Wattstunden. Würden alle neun Milliarden täglichen Suchanfragen von KI-Systemen verarbeitet, würde dies den Energiebedarf drastisch erhöhen.
Photonik als Weg zur Energieeffizienz
Die Photonik-Technologie bietet Rechenzentren eine Möglichkeit, ihren Energieverbrauch zu senken, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Traditionell setzen Rechenzentren für die Datenübertragung auf Kupferkabel, die jedoch mit hohen Energieverlusten verbunden sind. Optische Fasern stellen eine effizientere Alternative dar, da sie große Datenmengen über lange Strecken verlustarm transportieren können. Durch die photonisch-elektronische Kopplung in integrierten Schaltkreisen wird die Energieaufnahme reduziert und die Datenübertragungsrate gesteigert.
Zukünftig könnten Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde erreicht werden, unterstützt durch integrierte Silizium-Photonik-Schaltungen (PICs). Diese Technologie hat das Potenzial, den Energiebedarf in Rechenzentren erheblich zu senken und gleichzeitig die Effizienz der Kühlungssysteme zu verbessern.
Praxisbeispiele und Zukunftsausblick
Bereits heute setzen führende Unternehmen wie Microsoft und Google auf alternative Energiequellen wie Atomkraft, um den Energiebedarf ihrer Rechenzentren zu decken. Google plant, ab 2030 auf Energie aus Small Modular Reactors (SMRs) des Entwicklers Kairos Energy zurückzugreifen und bis 2035 eine Leistung von 500 Megawatt bereitzustellen. Ob diese Energie direkt an das Stromnetz oder an Rechenzentren gehen soll, wird noch diskutiert.
Photonische Ansätze könnten sich in den kommenden Jahren als Industriestandard etablieren. Integrierte Photonik hat bereits Eingang in Hochleistungsrechnerumgebungen (HPC) gefunden und wird verwendet, um Server, Speichergeräte und Netzwerkausrüstungen zu verbinden. Die photonische Kommunikation in Rechenzentren ist ein vielversprechender Schritt, um zukünftige Anforderungen an Leistung und Energieeffizienz zu erfüllen.
Fazit
Der steigende Energiebedarf von KI und datenintensiven Anwendungen fordert Innovationen in der Rechenzentrumsbranche. Photonik bietet hier eine vielversprechende Lösung zur Reduktion des Energieverbrauchs bei gleichzeitig erhöhter Datenübertragungseffizienz. Mit dem zunehmenden Einsatz dieser Technologie könnten Rechenzentren nachhaltiger und kosteneffizienter werden und den Anforderungen der digitalen Transformation gerecht werden.
Die Symbiose von KI und Photonik hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Rechenzentren betreiben, grundlegend zu verändern. Der Einsatz photonischer Technologien wird entscheidend sein, um die Balance zwischen Leistung und Nachhaltigkeit zu halten und so die digitale Zukunft zu gestalten.
Warum ist der Energieverbrauch in Rechenzentren in den letzten Jahren gestiegen?
Der steigende Energieverbrauch in Rechenzentren ist auf das wachsende Datenvolumen und die zunehmende Nachfrage nach Rechenleistung zurückzuführen, insbesondere durch datenintensive Anwendungen und KI-Modelle.
Wie trägt Photonik zur Energieeffizienz in Rechenzentren bei?
Photonik ermöglicht eine energieeffiziente Datenübertragung durch optische Fasern und photonische Schaltkreise, die im Vergleich zu herkömmlichen Kupferkabeln weniger Energie verbrauchen und höhere Übertragungsgeschwindigkeiten bieten.
Welche Rolle spielen Rechenzentren für die digitale Souveränität?
Rechenzentren sind essenziell für die digitale Souveränität, da sie den Zugang zu Rechenleistung und Datenverarbeitungskapazitäten sicherstellen, die für die Stabilität und Innovationskraft der digitalen Wirtschaft in Deutschland und Europa erforderlich sind.
Wie hoch ist der Energieverbrauch von KI-Modellen wie GPT-3?
Das Training eines großen KI-Modells wie GPT-3 erfordert etwa 1.287 Megawattstunden – vergleichbar mit der Energiemenge, die ein Atomkraftwerk in einer Stunde erzeugen kann.
Welche Zukunftspotenziale bietet die Silizium-Photonik für Rechenzentren?
Die Silizium-Photonik ermöglicht Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde und reduziert den Energieverbrauch, wodurch sie eine vielversprechende Technologie für die Effizienzsteigerung von Rechenzentren darstellt.
Welche Maßnahmen ergreifen Unternehmen, um den Energiebedarf ihrer Rechenzentren zu decken?
Unternehmen wie Microsoft und Google setzen auf alternative Energiequellen wie Atomkraft, um den Energiebedarf ihrer Rechenzentren zu decken, und planen künftig auch den Einsatz von Small Modular Reactors (SMRs).
Wie wird sich die Photonik-Technologie in der Rechenzentrumsbranche entwickeln?
Photonische Ansätze könnten in den nächsten Jahren zum Industriestandard werden, da sie die Energieeffizienz und Datenübertragungsgeschwindigkeit in Rechenzentren verbessern. Bereits jetzt wird die Technologie in Hochleistungsrechnerumgebungen eingesetzt.
Welche Vorteile bietet die photonische Kommunikation für die Kühlung in Rechenzentren?
Photonische Kommunikation erzeugt weniger Wärme als herkömmliche Kupfer-basierte Systeme, wodurch der Bedarf an leistungsintensiver Kühlung sinkt und die Effizienz der Kühlungssysteme in Rechenzentren gesteigert wird.