China stellt ersten dedizierten KI-Chip mit Kohlenstoffnanoröhren her

TPO – Chinesische Wissenschaftler haben eine neue Art von Tensor Processing Unit (TPU) entwickelt – einen speziellen Computerchip, der Kohlenstoffnanoröhren anstelle herkömmlicher Siliziumhalbleiter verwendet. Sie sagen, der neue Chip könnte den Weg zu energieeffizienterer künstlicher Intelligenz (KI) ebnen.

Im Gegensatz zu herkömmlichem TPU verwendet der rote Computerchip erstmals Kohlenstoffnanoröhren – winzige zylindrische Strukturen aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen – anstelle von herkömmlichen Halbleitermaterialien wie Silizium. (Foto: Sankai)

KI-Modelle sind datenintensiv und benötigen hohe Rechenleistung. Dies stellt ein erhebliches Hindernis für das Training und die Skalierung von Machine-Learning-Modellen dar, insbesondere angesichts der steigenden Nachfrage nach KI-Anwendungen. Deshalb arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung neuer Komponenten – von Prozessoren bis hin zum Computerspeicher –, die bei der Ausführung der notwendigen Berechnungen weniger Energie verbrauchen.

Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelten Google-Wissenschaftler 2015 TPUs. Diese speziellen Chips fungieren als dedizierte Hardwarebeschleuniger für Tensoroperationen – die komplexen mathematischen Berechnungen, die zum Trainieren und Ausführen von KI-Modellen erforderlich sind. Indem TPUs diese Aufgaben von der CPU und der GPU übernehmen, ermöglichen sie ein schnelleres und effizienteres Trainieren von KI-Modellen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen TPUs verwendet der neue Chip erstmals Kohlenstoffnanoröhren – winzige zylindrische Strukturen aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen – anstelle von herkömmlichen Halbleitermaterialien wie Silizium. Diese Struktur ermöglicht Elektronen (geladenen Teilchen) einen minimalen Widerstand und macht Kohlenstoffnanoröhren zu hervorragenden Stromleitern.

Laut den chinesischen Wissenschaftlern verbraucht ihr TPU nur 295 Mikrowatt (µW) Strom (wobei 1 W 1.000.000 µW entspricht) und kann eine Billion Berechnungen pro Watt durchführen – eine Einheit der Energieeffizienz. Damit ist Chinas kohlenstoffbasiertes TPU fast 1.700-mal energieeffizienter als der Chip von Google.

„Von ChatGPT bis Sora läutet die künstliche Intelligenz eine neue Revolution ein, doch die traditionelle Halbleitertechnologie auf Siliziumbasis ist den Anforderungen der Verarbeitung riesiger Datenmengen zunehmend nicht mehr gewachsen. Wir haben eine Lösung für diese globale Herausforderung gefunden“, sagte Zhiyong Zhang, Co-Autor des Artikels und Professor für Elektronik an der Peking-Universität.

Die neue TPU enthält 3.000 Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren und basiert auf einer Systolischen Array-Architektur – einem Netzwerk gitterförmig angeordneter Prozessoren. Dadurch kann die TPU mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen, indem sie den Datenfluss koordiniert und sicherstellt, dass jeder Prozessor jeweils nur einen kleinen Teil der Aufgabe bearbeitet.

Diese parallele Verarbeitung ermöglicht deutlich schnellere Berechnungen, was für KI-Modelle, die große Datenmengen verarbeiten, wichtig ist. Sie reduziert laut Zhang auch die Häufigkeit, mit der Speicher – insbesondere ein sogenannter statischer Direktzugriffsspeicher (SRAM) – Daten lesen und schreiben muss. Durch die Minimierung dieser Vorgänge kann die neue TPU Berechnungen schneller durchführen und verbraucht dabei deutlich weniger Strom.

In Zukunft, so die Forscher, könnte eine ähnliche Technologie auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren eine energieeffizientere Alternative zu Silizium-Chips bieten. Sie wollen den Chip weiter verfeinern, um die Leistung zu verbessern und ihn skalierbarer zu machen. Dazu gehört auchdie Untersuchung von Möglichkeiten zur Integration von TPU in Silizium-CPUs.

Ha Thu

Laut Live Science