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FPGA-Dynamik-Rechnen · im Aufbau

Wenn die Rechnung die Physik nachahmt.

Viele Probleme sind Dynamik: jede Zelle schaut auf ihre Nachbarn und ändert sich. Auf einer GPU wird das zum Programm, das Speicher hin- und herschiebt. Auf einem FPGA wird jede Zelle zu einer kleinen Schaltung, und alle rechnen im selben Takt.

Pilot anfragen Im Aufbau
Ein leuchtendes Zellmuster breitet sich auf einem Siliziumwafer aus

So funktioniert es

Die Technik dahinter, ohne Marketingnebel.

Lokale Regeln, massive Parallelität

Zellautomaten, Diffusions- und Wellengleichungen, Ising-Modelle: sie alle aktualisieren einen Zustand aus seiner Nachbarschaft. Genau diese Struktur bildet eine Schaltung direkt ab — ein Update je Zelle und Takt.

Vom Modell zur Schaltung

Ein Dynamik-Compiler übersetzt die Beschreibung eines Systems in Hardware und prüft das Ergebnis Bit für Bit gegen eine Referenz. Wer eine Regel beschreiben kann, muss keine Schaltung zeichnen.

Die Grenzen sind physisch

Nicht die Rechenwerke begrenzen, sondern Verdrahtung, Speicherbandbreite und Zahlendarstellung. Festkomma braucht Sorgfalt: Rundung kann Erhaltungsgrössen wie Energie oder Masse verschieben, wenn man sie nicht darauf auslegt.

Ergebnis mit Prüfwort

Der Chip liefert zum Ergebnis ein Prüfwort, das mit der Referenz verglichen wird. Ein Lauf ist erst fertig, wenn beides übereinstimmt.

Ein Gitter aus Spins, die sich zu Domänen ausrichten

Das Forschungsfeld: unkonventionelles Rechnen

Ising-Maschinen lösen kombinatorische Optimierung, indem sie ein physikalisches System in einen Zustand niedriger Energie laufen lassen: MaxCut, Ablaufplanung oder Portfolioauswahl lassen sich als Energie eines Spin-Gitters schreiben. Optische, elektronische und quanteninspirierte Varianten werden weltweit erforscht.

Zellautomaten sind trotz einfachster Regeln berechnungsuniversell, und viele physikalische Simulationen sind im Kern Stencils. Die offene Frage ist, für welche Problemklassen eine direkte Schaltung eine GPU tatsächlich schlägt — und ab welcher Grösse die Verdrahtung den Vorteil wieder aufzehrt.

Offene Fragen

  • Für welche Probleme ist eine Schaltung schneller oder sparsamer als ein Programm?
  • Wie bleibt eine Festkomma-Dynamik über lange Läufe physikalisch treu?
  • Wie findet ein Ising-System zuverlässig gute Lösungen statt lokaler Minima?

Wenn der Durchbruch gelingt

Ausblick, kein Versprechen: was möglich würde, wenn die offenen Fragen beantwortet sind.

Ausblick

Optimierung in Mikrosekunden

Liesse sich ein Planungsproblem — Touren, Schichten, Maschinenbelegung — als Spin-Gitter auf einem Chip zuverlässig lösen, würde Neuplanung zum Echtzeitvorgang: nach jedem Ausfall sofort, nicht über Nacht.

Ausblick

Simulation am Rand

Hochwasser-, Wärme- oder Ausbreitungsmodelle würden direkt am Messort laufen, mit dem Energiebedarf eines kleinen Geräts statt eines Rechenzentrums.

Ausblick

Assoziativer Speicher

Netze, die gespeicherte Muster aus verrauschten Eingaben in einem Schritt wiederfinden, würden Erkennung ohne klassisches Durchsuchen ermöglichen.

Wo wir stehen

Dieselben Belege wie auf der Übersicht — jede Zahl mit ihrer Art.

Job, Preis je Lauf
  • Ein Update je Zelle und Takt, alle Zellen parallel
  • Dynamik-Compiler: vom Modell zur Schaltung, bitgenau zur Referenz
  • Ergebnisse mit Prüfwort vom Chip
gemessenAuf Silizium bitgleich zur Referenz (Regel 110, GKL-Mehrheit)
Projektion (Place-&-Route)Regel 110 N 4 096: rechnerisch ≈ 8× beste GPU (aus Place-&-Route, nicht auf dem Chip gemessen)

Für wen

  • Forschung zu Optimierung und physikalischer Simulation
  • Industrie mit wiederkehrenden Planungsproblemen
  • Teams, die Energie je Rechenschritt senken müssen

Mit uns daran arbeiten.

Wir öffnen Piloten einzeln. Beschreib kurz, was du rechnen möchtest — keine Zahlung, keine Zusage, eine ehrliche Einschätzung.

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