Netzwerke mit Lichtgeschwindigkeit: Vorteile der Photonik in Zeiten der KI

KI-Modelle verarbeiten kontinuierlich riesige Datenmengen, benötigen extrem kurze Reaktionszeiten und treiben gleichzeitig den Energiebedarf von Rechenzentren in die Höhe. Klassische, elektrisch basierte Netzwerkarchitekturen stoßen hier zunehmend an physikalische Grenzen. Deshalb gelten photonische Netzwerke als entscheidender Baustein für die nächste Generation digitaler Infrastrukturen und das All-Photonics Network (APN) spielt dabei eine wesentliche Rolle.

Die Idee, Daten mit Licht statt mit elektrischen Signalen zu übertragen, ist nicht neu. Optische Technologien kommen bereits seit Jahrzehnten in globalen Kommunikationsnetzen zum Einsatz, Glasfaserkabel als physisches Medium sind heute weit verbreitet.

Mit dem steigenden Bedarf an KI-Leistung, verteilten Rechenzentren und Echtzeitverarbeitung entwickelt sich Photonik nun zu einer Technologie, die Unternehmen hilft, ihre Infrastruktur auf die Anforderungen einer datenintensiven Zukunft auszurichten. Allerdings gibt es dazu einige Fragen, die aus der Netzwerk-Perspektive adressiert werden.

Warum stoßen klassische Netzwerke im KI-Zeitalter an ihre Grenzen?

Lange Zeit konnten Unternehmen steigende Anforderungen an ihre IT-Infrastruktur durch leistungsfähigere Hardware, zusätzliche Bandbreite und größere Rechenkapazitäten ausgleichen. Für viele klassische Anwendungen war dieser Ansatz ausreichend. Mit dem zunehmenden Einsatz von KI verändert sich jedoch die Situation grundlegend: Moderne Modelle greifen auf riesige Datenmengen zu, müssen Ergebnisse nahezu in Echtzeit liefern und werden häufig über mehrere Standorte, Cloud-Umgebungen und Rechenzentren verteilt betrieben.

Dabei wird das Netzwerk zunehmend zum kritischen Faktor. Herkömmliche Architekturen wandeln optische Signale auf ihrem Weg mehrfach in elektrische Signale um und verarbeiten sie anschließend erneut. Diese sogenannten Optical-Electrical-Optical-Konvertierungen verursachen Verzögerungen, verbrauchen Energie und können die Vorhersagbarkeit der Datenübertragung beeinträchtigen. Gerade KI-Anwendungen benötigen jedoch möglichst stabile und deterministische Verbindungen.

Eine einfache Erhöhung der Bandbreite löst diese Herausforderung nur teilweise. Sie adressiert zwar die Menge der übertragbaren Daten, beseitigt aber nicht die Latenz als limitierenden Faktor – insbesondere dann nicht, wenn Daten zwischen verteilten Rechen- und Speicherressourcen übertragen werden müssen.

Was verändert Photonik bei der Datenübertragung?

Photonische Netzwerke verfolgen einen grundlegend anderen Ansatz: Anstatt Informationen überwiegend über elektrische Signale zu übertragen und an verschiedenen Punkten umzuwandeln, nutzt die Technologie Licht als Transportmedium. Dadurch können Daten mit deutlich höherer Geschwindigkeit und geringerem Energieaufwand über große Entfernungen übertragen werden.

Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, dass weniger Umwandlungsschritte notwendig sind. Jede Konvertierung zwischen optischen und elektrischen Signalen erzeugt zusätzlichen Aufwand – sowohl hinsichtlich Latenz als auch Energieverbrauch. Durch einen rein optischen Übertragungsweg lassen sich diese Engpässe eliminieren.

Für Unternehmen bedeutet das vor allem eine höhere Stabilität bei datenintensiven Anwendungen. KI-Training, KI-Inferenz, High-Performance-Computing oder Echtzeitanalysen sind darauf angewiesen, dass große Datenmengen zuverlässig und mit möglichst geringer Verzögerung zwischen unterschiedlichen Systemen bewegt werden können. Photonik ist damit nicht lediglich eine schnellere Variante bestehender Netzwerke, sie steht vielmehr für einen Architekturwandel.

Was ist das All-Photonics Network und wie funktioniert es?

Eine zentrale Entwicklung im Bereich photonischer Netzwerke ist das All-Photonics Network (APN), das vom IOWN Global Forum vorangetrieben wird. Ziel ist es, die Vorteile optischer Kommunikation nicht nur in einzelnen Netzwerksegmenten, sondern über zentrale Transportebenen hinweg nutzbar zu machen. Bisher war der Einsatz photonischer Technologien für viele Unternehmen mit hoher Komplexität verbunden.

Der Betrieb optischer Infrastruktur erfordert spezielles Know-how, beispielsweise bei der Steuerung von Lichtsignalen und Netzwerkkomponenten. Das APN verfolgt deshalb einen anderen Ansatz: Unternehmen sollen die Leistungsfähigkeit photonischer Netzwerke nutzen können, ohne die technische Komplexität im Hintergrund selbst verwalten zu müssen. Statt Daten an zahlreichen Übergabepunkten zwischen elektrischen und optischen Signalen umzuwandeln, weitet das APN den optischen Übertragungsweg über Standorte, Regionen und Rechenzentren hinweg aus.

Dadurch entstehen konsistentere Netzwerkverbindungen mit geringerer Schwankung bei der Übertragung. Gerade für verteilte IT-Architekturen ist dieser Ansatz relevant. Unternehmen können Rechenkapazitäten, Speicher und Anwendungen flexibler über verschiedene Standorte hinweg verbinden.

Welche Vorteile bringt APN für Unternehmen konkret?

Im KI-Zeitalter ist Energie der limitierende Faktor in Bezug auf die Infrastruktur. Müssen sich Rechenressourcen nahezu beliebig skalieren lassen, werden die verfügbaren Strommengen und der Zugang zu erneuerbaren Energien zum vielleicht wichtigsten Faktor bei der Standortwahl eines Rechenzentrums.

APN eröffnet hier neue Möglichkeiten: Durch die bandbreitenstarke, latenzarme Vernetzung verteilter Data Center können Workloads einfach dorthin verschoben werden, wo sowohl die benötigte Rechen- als auch die Stromkapazität verfügbar sind. Wie das aussehen kann, zeigt der Proof of Concept (POC) „GPU over APN“. Mehrere über ganz Japan verteilte Rechenzentren wurden über ein IOWN-APN-basiertes Layer-2-Netzwerk zu einer einzigen Domäne verbunden. GPU-Server und Datenspeicher funktionieren trotz der räumlichen Trennung über Tausende von Kilometern hinweg so, als wären sie am selben Standort.

Dies eröffnet Unternehmen neue Optionen für den Aufbau skalierbarer und energieeffizienter KI-Umgebungen. APN ist dabei längst keine Zukunftsvision mehr: Die Technologie lässt sich als Managed Service beziehen und in bestehende IT-Infrastrukturen integrieren.

Mit dem steigenden Einsatz von KI verändert sich auch die Rolle des Netzwerks grundlegend. Unternehmen benötigen Infrastrukturen, die nicht nur mehr Daten übertragen können, sondern dies effizient, zuverlässig und mit möglichst geringer Verzögerung ermöglichen. Photonische Netzwerke wie das All-Photonics Network sind ein wichtiger Schritt, um die digitale Infrastruktur auf die Anforderungen der kommenden KI-Generation vorzubereiten. Dabei geht es nicht darum, bestehende Netzwerktechnologien kurzfristig vollständig zu ersetzen. Vielmehr entwickelt sich APN zu einer Ergänzung für besonders anspruchsvolle Verbindungen.

Oliver Köth ist Managing Director Technology & Innovation DACH bei NTT DATA.

NTT DATA GROUP