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Helmholtz Dresden baut Computer-Nervenzellen aus Eisen und Gold

Prinzip des neuromorphen Computers: Schaltstellen des Gehirns werden mit magnetischen Wellen nachgebildet, die gezielt in mikroskopisch kleinen Scheiben erzeugt und aufgeteilt werden. Grafik: HZDR/Sahneweiß/H. Schultheiß

Die Visualisierung veranschaulicht die Parallele zu den natürlichen Nervenzellen im Gehirn: Die mikroskopisch kleinen Scheiben aus Dresden-Rossendorf sollen zu lernfähigen Netzwerken zusammengeschaltet werden, die erst ab einem gewissen Reizniveau – also einem Lerneffekt – dauerhaft neue Strukturen bilden. Grafik: HZDR/Sahneweiß/H. Schultheiß

Winzige Spinwellen-Scheiben für neuromorphe Rechner sollen schneller Routen finden und Gesichter erkennen.

Dresden, 8. Dezember 2020. Helmholtz-Forscher aus Dresden haben künstliche Nervenzellen für gehirnähnliche Computer konstruiert, die mit Spinwellen statt lahmen Elektronen ihre Daten verarbeiten. Das geht aus einer Mitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf hervor. Aus derartigen Neuronen lassen sich besonders leistungsstarke neuromorphe Rechner konstruieren, die Bilder, Videos, drohende Unfälle von Autos oder optimale Routen viel schneller und „intuitiver“ als heutige Computer analysieren können und aus ihren Fehlern lernen.

Goldrand regt Spinwellen im Eisen-Nickel-Kern an

Dafür hat das Team winzige Scheiben aus Eisen und Nickel mit Goldringen umgeben und mit kleinen Magnetstreifen versehen. Dann haben sie an diesen nur wenige Mikrometer kleinen Scheiben Gigahertz-Wechselstrom eingeschaltet. Dadurch strahlte der Goldrand Mikrowellen aus, die dann im Eisen-Nickel-Kern sogenannte Spinwellen auslösten: Dabei wechseln die Elektronen im Kern sehr schnell nacheinander ihren quantenmechanischen Drall, den sogenannten „Spin“, der unter anderem über Magnetkräfte im Material entscheidet. „Die Elektronen im Eisen-Nickel besitzen einen Spin, eine Art Eigendrall ähnlich wie bei einem Kreisel“, erläutert Helmut Schultheiß, der die Emmy Noether-Gruppe „Magnonik“ am HZDR leitet. „Mit den Mikrowellen-Impulsen bringen wir die Elektronen-Kreisel ein wenig aus dem Takt.“ Diese Störung pflanzt sich fort und ist dann eine Spinwelle. Diese Welle leitet also Informationen weiter, ohne dass sich wie in einem klassischen Computerchip vergleichsweise langsame Elektronen bewegen müssen und dabei Abwärme erzeugen.

Dr. Helmut Schultheiß. Foto: HZDR

Dr. Helmut Schultheiß. Foto: HZDR

Kipppunkt spaltet Wellen auf

Als die Forscher die Mikrowellenstrahlung weiter verstärkten, erreichte sie einen Kipppunkt, ab dem sich die einzelne Spinwelle in zwei Wellen aufspaltet. Dabei wirkt der Magnetstreifen an den Scheiben, an dem sich ebenfalls Spinwellen einschalten lassen, wie eine Weiche für die Wellen aus dem Eisen-Nickel-Kern.

Ähnlich wie Reizschwelle in natürlichen Nervenzellen

Diese Eigenschaft ähnelt dem Lernprozess von natürlichen Nervennetzen im Gehirn, die erst ab einer bestimmten Reizschwelle umschalten. Anders ausgedrückt: Neuronen speichern eine Information, lernen also beispielsweise eine Lösung, wenn sie oft genug den selben Reiz empfangen, also „gelernt“ haben.

Nun folgt ein erstes Netzwerk aus Spinwellen-Neuronen

„Als nächstes wollen wir ein kleines Netzwerk aus unseren Spinwellen-Neuronen bauen“, kündigte Helmut Schultheiß an. „Dieses neuromorphe Netzwerk soll dann einfache Aufgaben lösen können, etwa simple Muster erkennen.“ Künftige miniaturisierte Neurocomputer sollen dann auch sehr komplexe Aufgaben blitzschnell lösen können: Eingebaut in Smartphones könnten sie beispielsweise Gesichter wiedererkennen, selbst wenn die mit einer Corona-Maske vermummt sind, oder auf gefährliche Verkehrssituationen an Bord eines Robotertaxis reagieren – und dabei wegen ihrer Lernfähigkeit ständig besser werden.

Bisher setzt Branche meist noch auf Software-Lösungen

Neuromorphe Netzwerke, die funktionell den Nervenzellen-Netzen im menschlichen Gehirn in einfacher Ausführung ähneln, gibt es zwar schon. Sie werden aber meist per Software auf konventionellen Computerchips simuliert. Für leistungsstärkere „Künstliche Intelligenzen“ (KI) arbeiten Forscher und Ingenieure aber auch an Hardware-Lösungen, also an Computern, in den künstliche Neuronen vernetzt sind. Auch an der TU Dresden entwickeln Spezialisten wie Prof. Christian Mayr neuromorphen Computern, zum Beispiel aus vernetzten Smartphone-Prozessoren.

Autor: hw

Quelle: HZDR

Wissenschaftliche Publikationen:

L. Körber, K. Schultheiss, T. Hula, R. Verba, J. Fassbender, A. Kákay, H. Schultheiss: Nonlocal stimulation of three-magnon splitting in a magnetic vortex, in Physical Review Letters, 2020 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.207203)

K. Schultheiss, R. Verba, F. Wehrmann, K. Wagner, L. Körber, T. Hula, T. Hache, A. Kákay, A. A. Awad, V. Tiberkevich, A. N. Slavin, J. Fassbender, H. Schultheiss: Excitation of whispering gallery magnons in a magnetic vortex, in Physical Review Letters, 2019 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.097202)

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