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Sind QPU die neuen GPU?

Die International Supercomputing High Performance (ISC HP) ist für viele Anbieter hochleistungsfähiger Compute- und Storage-Plattformen das, was die CES für Consumer-Electronics ist: ein Showroom für zukunftsweisende Technologie. In diesem Jahr spielte neben CXL und Hochgeschwindigkeitsnetzen vor allem Quantum Computing eine Hauptrolle. Da ist nur naheliegend zu fragen: Sind QPUs die nächsten GPUs? Ein Qubit würde mit einer höchstwahrscheinlichen 1 antworten.

Eines sollte im Vorfeld klargestellt werden: Quantencomputer gibt es nicht. Es ist ein Quantenchip bzw. eine Quantum Processing Unit (QPU). Tatsächlich ist eine Quantum Processing Unit auch eher so etwas wie ein Co-Prozessor – ein sehr mächtiger, zugegebenermaßen.

QPU: Quantum Chip mit Kühlkörper (Cryostat)
Modell der Installation des IQM-Quantenprozessors am LRZ
Computer mit QPU auf Basis synthetischer Diamanten
Das Quantum Brilliance Gen1 Model kommt ohne Cryostat aus.

Der eigentliche Chip sieht aus, wie jeder andere auch. Das folgende Bild zeigt den auf Photonen basierten Chip von QuiX 🌐.

Wie jeder andere Chip benötigt auch eine QPU Instruktionen. Zusätzlich müssen Die Ergebnisse aus einem Quantenchip ausgewertet, fehlerkorrigiert und entrauscht werden.

Darauf haben sich Anbieter wie Quantum Machines spezialisiert. Der OPX+ ist eine Quantum Orchestration Plattform 🌐 zur Quantenkontrolle und -auslesung mit Echtzeitverarbeitung und analogem Feedback auf einer Quantenkohärenz-Zeitskala. 👈🏼 Das erklären wir mal in einem eigenen Artikel 😂

Quantenflüsterer: die OPX+ von Quantum Machines

Anhand der Bilder in diesem Artikel lässt sich bereits erahnen, wie viel unterschiedliche QPU es gibt. Nicht alle müssen kryogenisiert werden. Chips auf Basis von Photonen oder NV-Zentren in synthetischen Diamanten können in Rechenzentrums-tauglichen Formfaktoren verbaut und bei Zimmertemperatur betrieben werden.

Admin, ich habe den Supercomputer geschrumpft!

Schlüsselfertige Systeme wie der Quanten-Annealer Advantage 🌐 von D-Wave benötigt eine Fläche von ca. 3 m x 2 m x 3 m und wiegt knapp 4 Tonnen. 

Nicht viel mehr Raum beanspruchen Gates Model Quantum Computers wie die von IBM, Google oder IQM 🌐. Sie reagieren sehr empfindlich auf geringste Ablenkungen. In Jülich wurde für JUPSI und JUNIQ ein eigenes Gebäude konzipiert und gebaut. Verglichen mit den klassischen Hochleistungsrechenzentren der Forschungszentren oder Hyperscaler hat das eher die Dimension eines Gartenhäuschens.

Andere Technologie wie die auf synthetischen Diamanten oder Photonen basierten Quantenchips brauchen weder die aufwendige Kühlung, Geräuschdämmung für die Kühlmittelpumpen, vibrationssichere Käfige noch Vakuumkammern. Sie passen in handelsübliche 19″-Racks und können an eine normale Steckdose angeschlossen werden.

Platz ist aber nur das eine. Quantengestützte Hochleistungs- und andere Rechner lösen ein noch viel dringenderes Problem: sie helfen, unseren Carbonfootprint zu reduzieren und das Klima zu retten.

Der Handelsreisende und das Wetter

Der immer größere Bedarf an Rechenleistung und die Speicherung der stetig wachsenden Datenberge stellen uns gesellschaftlich vor neue Herausforderungen. Das Beispiel des traveling Salesmen 🌐 gibt einen Einblick in die Komplexität der Probleme, die QPUs lösen sollen.

Solche einfachen mathematisches Optimierungsprobleme können noch mit klassischen Computern gelöst werden. Für die Optimierung von 200.000 Flugrouten täglich jedoch würden weder Rechenleistung noch Arbeitsspeicher selbst des aktuell leistungsfähigsten Supercomputers nicht ausreichen. Zudem würde eine unglaubliche Menge Energie benötigt werden für die Rechenleistung selbst sowie für Infrastruktur inkl. Kühlung.

Auch die Wettervorhersage gilt als ein großes, wenn nicht sogar das größte Vorhersageproblem. Gates Model Quantum Computer könnten es lösen.

Der Energiebedarf ist jetzt schon zu hoch, um ihn nur mit erneuerbarer Energie zu decken. Die mit der Erzeugung des Stroms selbst und der dafür benötigten Produktionsanlagen und zu Verteilung benötigten Infrastruktur verbundenen Emissionen sind ein Problem – ganz abgesehen von den Ressourcen. Auch die Finanzierung könnte irgendwann nicht mehr möglich sein.

Letztlich ist es aber egal, was zuerst ausgeht. Um das überhaupt noch herausfinden zu können, müssen die Emissionen gesenkt werden. Das geht nur, indem der Stromverbrauch reduziert wird.

Fakten, Fakten, Fakten

Durchschnittliche Hochleistungsrechner nehmen zwischen 1 und 10 Megawatt Leistung auf. Frontier, die Nummer eins auf der HPC Top500 Liste 🌐 benötigt fast 23 Megawatt, die Nummer 2 sogar fast 30. Henri ist die Nummer 1 der Green500 🌐 benötigt nur 44 kW, hat aber auch nur eine Leistung von nicht mal 3 Petaflops pro Sekunde. Der Frontier aus der Top500 kommt auf ca. 1680.

Helium-gekühlte Quantenchips haben eine mehr oder weniger konstante Leistungsaufnahme von 15-25 kW. Ein komplettes System wie das Quantum Brilliance Gen1 Model verbraucht nur 180 Watt. Zum Vergleich: Ein 1HE-Server von Supermicro mit zwei GPU braucht zwischen 1200 und 1400 Watt.

Fazit

Wie immer wird es natürlich eine Kombination an Maßnahmen sein, unseren Planeten zu retten. Quantenchips sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg dahin.

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