Energieeffiziente Datenverarbeitung nach dem Vorbild der Natur
Sogenannte Supercomputer werden häufig eingesetzt, um eine Reihe technologisch und gesellschaftlich komplexer Fragestellungen zu lösen. Dazu gehören die Wettervorhersage und die Klimaforschung ebenso wie die molekulare Modellierung und Simulationen von Flugplänen sowie der Aerodynamik von Raumfahrzeugen. Eine große Herausforderung besteht jedoch darin, dass diese Supercomputer enorme Mengen an elektrischer Energie benötigen. Das bedeutet, dass die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Computern durch unsere begrenzten Möglichkeiten zur Kühlung ihrer Prozessoren behindert wird. „Computer verbrauchen viel elektrische Energie pro Berechnung“, erklärt Heiner Linke, Koordinator des Projekts Bio4Comp von der Universität Lund in Schweden. „Wenn ein Problem eine hohe Rechenleistung erfordert, ist dies in der Regel mit erheblichen Stromkosten verbunden. Damit gehen nicht nur in Bezug auf die Kosten und die Nachhaltigkeit, sondern auch in Bezug auf das reine Wärmemanagement Schwierigkeiten einher.“ Außerdem sind Supercomputer nicht immer sehr gut darin, viele Dinge gleichzeitig zu tun. Dadurch werden sie ineffizient, wenn es um die Berechnung komplexer Sachverhalte wie der Ressourcenzuweisung in industriellen Prozessen geht.
Netzgestützte Berechnungen
Das EU-finanzierte Projekt Bio4Comp versuchte, die genannten Herausforderungen zu bewältigen, indem es neuen Fortschritten in der sogenannten netzgestützten Bioinformatik den Weg bereitete. Dieser Ansatz des parallelen Rechnens, bei dem die Leistung und Effizienz biomolekularer Maschinen genutzt wird, zielt darauf ab, komplexe Probleme mit geringen Energiekosten und in angemessener Zeit zu lösen. „Stellen Sie sich einen Computerchip vor, der mit ein paar Nanogramm Biokraftstoff statt mit mehreren Kilowatt Stromversorgung funktioniert“, sagt Linke. Ein solcher Ansatz würde deutlich weniger Energie als herkömmliche Computer verbrauchen und dazu beitragen, Probleme im Zusammenhang mit dem Stromverbrauch und der Wärmeabgabe zu überwinden.
Betrieb biomolekularer Maschinen
Im Rahmen des Projekts wurde dieses Ziel durch die Kombination zweier origineller Ideen verwirklicht. Zum einen die Hardware:Sie besteht aus nanoskaligen Kanälen, die auf einen Siliziumchip geätzt werden. Diese Kanäle bilden ein Labyrinth, das einen mathematischen Algorithmus darstellt. „Zum anderen haben wir Biomoleküle verwendet, die alle möglichen Wege durch das Labyrinth erkunden und damit die eigentliche mathematische Berechnung durchführen“, ergänzt Linke. Diese biomolekularen Maschinen – Zytoskelett-Filamente, die von molekularen Motoren angetrieben werden – sind jeweils nur wenige Milliardstel Meter (Nanometer) groß. Immer wenn sie eine Kreuzung im Netz erreichen, fügen sie entweder eine Zahl zu der Summe hinzu, die sie gerade berechnen, oder lassen sie weg. Auf diese Weise fungiert jedes Biomolekül wie ein winziger Computer. Ein einzelnes Biomolekül ist zwar viel langsamer als ein heutiger Computer, doch es baut sich selbst zusammen, wodurch es in großer Zahl eingesetzt werden kann und seine Rechenleistung schnell zunimmt. Das Projektteam erprobte sein Modell der netzgestützten Bioinformatik erfolgreich an einer Reihe spezifischer mathematischer Probleme, die eine sehr große Anzahl von Berechnungen erforderten. „Unser Schwerpunkt lag auf zwei davon, dem Problem der exakten Überdeckung und dem Erfüllbarkeitsproblem, doch wir glauben, dass es auch andere Probleme gibt, für die unsere Architektur besonders effektiv und geeignet sein könnte“, erklärt Linke.
Klimaneutrale Digitalisierung
Das Projekt Bio4Comp hat aufgezeigt, dass die netzgestützte Bioinformatik einen praktikablen Ansatz für die Lösung komplexer Rechenprobleme darstellt, da sie deutlich weniger Energieverbrauch aufweist als elektronische Prozessoren. „Wir haben eine Rechenplattform vorgestellt, die um Größenordnungen weniger Energie verbraucht als die elektronische Datenverarbeitung“, bemerkt er. „Damit leisten wir unseren Beitrag zu einer CO2-neutralen digitalen Industrie.“ Natürlich gilt es noch erhebliche Herausforderungen zu meistern, um die Technologie vollständig hochzuskalieren. Das Projekt befasst sich mit diesen Herausforderungen in einem Fahrplan, in dem die wichtigsten wissenschaftlichen und technologischen Erfordernisse für die erweiterte Nutzung der netzgestützten Bioinformatik aufgezeigt werden. „Konkret bestimmen wir technologische Referenzwerte, die erreicht oder überwunden werden müssen, sowie mögliche Lösungen, wie dies gelingt“, so Linke. Dazu gehören Methoden für die groß angelegte Produktion von physischen Netzwerken im Nanomaßstab.
Schlüsselbegriffe
Bio4Comp, Energie, Datenverarbeitung, biomolekular, Kohlenstoff, CO2, Digitalisierung, Supercomputer
