Open-Source-Revolution bei Computerchips: Die Schweiz spielt eine Schlüsselrolle
Die Schweiz fördert eine Open-Source-Bewegung, die Universitäten und Chip-Entwickler von den kommerziellen Fesseln monopolistischer Unternehmen befreit.
Der rasante Aufstieg der künstlichen Intelligenz stellt die Halbleiterindustrie vor enorme Herausforderungen. Supercomputer und Rechenzentren benötigen immer leistungsfähigere Spezialchips.
Dies hat den Eidgenössischen Technischen Hochschulen in der Schweiz einen Schub verliehen. Sie arbeiten an der Entwicklung von Halbleitern der nächsten Generation. Die Forschung und Entwicklung dieser Chips wird jedoch durch Beschränkungen der sogenannten «Instruction Set Architecture» (ISA) behindert.
Befehlssatzarchitekturen (ISAs) legen fest, wie Software mit Prozessoren kommuniziert und welche Befehle ein Chip ausführen kann.
Die am weitesten verbreiteten ISAs werden vom US-Unternehmen Intel und der britischen Firma Arm Holdings kontrolliert. Beide Unternehmen verlangen Lizenzgebühren für die Nutzung ihrer ISA-Systeme und schränken ein, wie diese für neue Chipdesigns angepasst werden können.
Die Antwort auf dieses Dilemma ist eine Open-Source-ISA namens RISC-V, die 2010 an der University of California, Berkeley, entwickelt wurde. Die Technologie wurde 2015 an eine gemeinnützige Stiftung übertragen, die 2020 von den USA nach Zürich umzog und sich dort als «RISC-V International Association» neu gründete.
«Handlungsfreiheit» in der Halbleiterforschung
Die ETH Zürich war 2015 Gründungsmitglied des Verbandes. Die Open-Source-Alternative «schafft eine Infrastruktur für Innovationen», so Luca Benini, Professor am Institut für Informationstechnologie und Elektrotechnik.
«Wissenschaftler werden im Grunde daran gehindert, Prozessoren auf Basis proprietärer Architekturen (ISAs) zu entwickeln oder anzupassen», erklärt er gegenüber Swissinfo. «Man benötigt die ausdrückliche Genehmigung des ISA-Inhabers. Wir sind auf Open-Source-ISAs umgestiegen, um uns Handlungsfreiheit zu verschaffen.»
Dadurch konnten Forscher:innen der ETH in den letzten zehn Jahren rund 75 Chips entwickeln. Die Schweiz konkurriert nicht direkt mit Ländern wie Taiwan, den USA und China, die über grosse Chip-Produktionsanlagen verfügen. Stattdessen konzentriert sie sich auf Nischenbereiche, wie beispielsweise die Entwicklung von Halbleitern mit extrem niedrigem Energieverbrauch.
«Wir haben RISC-V-Prozessoren entwickelt, die speziell für maschinelles Lernen und Inferenz sowie für LLM-Training ausgelegt sind», sagt Benini. «Wir konnten eine hundertfache Effizienzsteigerung nachweisen, eine solche Verbesserung ist extrem selten.»
Sie ist zudem zwingend notwendig, da KI und wachsende Rechenzentren immer mehr Strom verbrauchen. Die Halbleiterindustrie «verfeinert jeden einzelnen Prozessschritt, reduziert unnötige Berechnungen und optimiert die Energieeffizienz», schreibt Alain-Serge Porret, Vizepräsident und Leiter der Abteilung für integrierte und drahtlose Systeme beim Schweizer Technologie-Innovationszentrum (CSEMExterner Link), in einem Beitrag Externer Linkauf der Website Semiwiki.
«Selbst führende Unternehmen, die einst auf aggressives Wachstum setzten, suchen nun nach Möglichkeiten, Chips an die heutigen Energiebedingungen anzupassen», fügt er hinzu.
Open-Source-Modell setzt Ressourcen frei
Die öffentlich-private Innovationsagentur CSEM wurde Anfang der 1980er-Jahre von der Schweizer Regierung gegründet, um die Zusammenarbeit zwischen akademischen Einrichtungen und der Industrie zu fördern und sicherzustellen, dass die Schweiz mit den technologischen Entwicklungen Schritt hält.
Unter dem Dach von RISC-V hat die Halbleiterforschung des Zentrums einen enormen Aufschwung erlebt. CSEM begann mit der Entwicklung von Prozessoren mit eigener Architekturspezifikation (ISA), stellte jedoch fest, dass die Verwaltung und Wartung des gesamten Ökosystems sehr zeitaufwendig waren.
Ein Team von Entwickler:innen ist nötig, um die Architektur aktuell und fehlerfrei zu halten und Supportleistungen für Unternehmen zu erbringen, in deren Geschäftsabläufen die Technologie eingesetzt wird.
Durch die Übertragung dieser Aufgaben an eine Open-Source-Community wurden Ressourcen für Forschung und Innovation freigesetzt, so Stéphane Emery, Leiter der Gruppe System-on-a-Chip am CSEM. RISC-V vereint mehr als 4’500 akademische Einrichtungen und Unternehmen wie Google, Huawei, Siemens und Sony unter einem Dach.
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Die Gruppe arbeitet gemeinsam daran, die ISA zu erhalten und zu stärken, indem sie neue Anwendungen hinzufügt und neue Erweiterungen der Architektur ratifiziert.
«Diese Zusammenarbeit ist für die akademische Forschung wichtig, weil wir uns so mit anderen Universitäten und Unternehmen weltweit austauschen können. Es ist ein sehr aktives Ökosystem, das sich ständig weiterentwickelt», sagt er.
Das Cern der Halbleiter
CSEM unterhält Geschäftsbeziehungen zu mehreren globalen Marken, darunter ein Projekt zur Entwicklung eines extrem energiesparenden Chips für Smartphones und Tablets mit dem multinationalen Unternehmen United Semiconductor Japan (ehemals Fujitsu).
Die Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne (EPFL) nutzt RISC-V ebenfalls für ihre eigenen Forschungsprojekte. Dazu gehört der Open-Source-Mikrocontroller X-HEEP, mit dem Forscher:innen energieeffiziente eingebettete Systeme entwickeln und testen können.
Zu den Anwendungsfeldern gehören die dezentrale Datenverarbeitung (Edge-Computing) mit extrem niedrigem Stromverbrauch, Anwendungen im Internet der Dinge sowie am Körper getragene Sensorsysteme (biomedizinische Wearables).
Laut Benini ist das Open-Source-RISC-V-Ökosystem für akademische Forschungseinrichtungen in der Schweiz von entscheidender Bedeutung.
Benini vergleicht es mit dem Cern, wo Physiker:innen ihre Theorien mithilfe des Teilchenbeschleunigers testen können.
«RISC-V spielt eine ähnliche Rolle wie eine Forschungsinfrastruktur für Computersysteme. Es ist eine äusserst wichtige Ressource, die es ermöglicht, Forschungsergebnisse in den Bereichen Software und spezialisierte Hardware in konkreter Form in die Praxis umzusetzen», sagt er.
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Editiert von Gabe Bullard/VdV, Übertragung aus dem Englischen mit der Hilfe von KI-Tools: Petra Krimphove/jg
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