Neurotransistoren können sich wie die Neuronen im menschlichen Gehirn immer wieder umprogrammieren und neu vernetzen, um zu lernen. Grafik: TUD
Neues Forschungszentrum Cachs greift Ferroelektrik-Speichertechnologie der TU Dresden auf
Dresden, 22. Juni 2022. Um die Grenzen der heutigen Mikroelektronik über die klassische Digitalcomputertechnik hinauszuschieben, wollen die Fraunhofer-Forscher im neuen Mikroelektronik-Forschungszentrum „Center for Advanced CMOS & Heterointegration Saxony“ (Cachs) in Dresden unter anderem Pilotlinien für neuromorphe und für Quanten-Chips aufbauen. Das haben die Cachs-Forscher Dr. Benjamin Lilienthal-Uhlig und Dr. Frank Windrich angekündigt.
Im Straßenverkehr kann autonomes Auto nicht auf KI in der Cloud warten
Bedarf für solche Chips sehen die Elektronikexperten beispielsweise in künftigen Fahrzeugen, die sich weitgehend selbst im Straßenverkehr orientieren und autonom fortbewegen. Solche Autos müssen in Sekundenbruchteilen komplexe Situationen analysieren. „Dann will niemand erst darauf warten, bis eine weit entfernte Cloud zu einer Entscheidung kommt“, betont Benjamin Lilienthal-Uhlig. Die Bordelektronik selbst müsse genügend Künstliche Intelligenz (KI) haben, um akute Entscheidungen selbst zu treffen – „EdgeAI“ nennen sich solche Konzepte. Auf der anderen Seite kann kein Elektroauto einen kompletten Supercomputer mit sich herumschleppen – schon allein mit Blick auf den Strombedarf zu Lasten der Fahrzeugreichweite.
Künstliche Neuronen für mehr Eigenintelligenz in Autos
Deshalb tragen sich Spezialisten aus Instituten und Halbleiterunternehmen aus Sachsen schon länger mit der Idee, sich die Informationsverarbeitung in der Natur dafür zum Vorbild zu nehmen: Ähnlich wie kein Mensch bewusste Befehle an die einzelnen Muskeln seiner Finger formulieren muss, um mit der Hand etwas zu greifen, könnten auch im Auto der Zukunft künstliche Neuronen mit extrem geringem Energieverbrauch die Datenfluten aus dem Straßenverkehr so vorverarbeiten, dass die KI in der Rechnerwolke nur noch bei richtig schweren Problemen konsultiert werden muss.
Das Archivbild zeigt die Elektronenmikroskopaufnahme eines fertigen ferroelektrischen Minischalters auf Hafnium-Basis. Abb.: NaMLab
Hafnium-basierte Speicher könnten für „großen Sprung“ sorgen
Solche neuronalen Chips aber werden höchstwahrscheinlich die heute in Computern dominierenden Grundprinzipien wie digitales Rechnen und die Trennung von Speicher und Datenverarbeitung nach dem Von-Neumann-Prinzip über Bord werfen. „Einen Ansatz, das zu lösen, sehen wir in nichtflüchtigen ferroelektrischen Speichern auf Hafniumoxid-Basis“, sagt Dr. Lilienthal-Uhlig. Diese am Namlab Dresden entwickelten Zellen sind um Größenordnungen schneller und stromsparsamer als heutige „merkfähige“ Speicher und haben das Zeug, eine mittlere Revolution in der Nanoelektronik anzustoßen. Auf Basis dieser sächsischen Erfindung wollen Fraunhofer, das Namlab der TU Dresden, Globalfoundries und weitere Partner im Cachs-Forschungszentrum eine Pilotlinie für neuromorphe Computertechnik aufbauen. „Wir sehen die Chance auf einen ganz großen Sprung mit dieser Technik“, erklärt Benjamin Lilienthal-Uhlig.
IBM-Quantencomputer – das muss auch kleiner gehen. Foto: Graham Carlow für IBM
Quantenprozessoren aus supraleitenden Materialien
Auf einer zweiten Pilotlinie wollen die Cachs-Forscher die Produktion von supraleitenden Quantenprozessoren auf Siliziumbasis erproben. Solche Prozessoren werden einen sehr tief gekühlten Kern haben, in denen die quantenmechanischen Effekte realisiert haben. Sie enthalten aber auch eher klassische Elektronikschichten, die jedoch bei weit niedrigen Temperaturen arbeiten sollen als heute üblich. Dafür werde eine neue Kryo-Elektronik gebraucht, aber auch ganz neue Verbindungs- und Verpackungstechniken, ergänzt Dr. Frank Windrich. „Für jede einzelne Verbindung werden dann supraleitende Materialien benötigt“, skizziert er einige der damit verbundenen Herausforderungen. Allerdings sind sich beide Experten einig: Bis diese neuartigen Prozessoren zu marktreifen Quantencomputern führen, wird noch viel Zeit vergehen – wohl mindestens eine Dekade.
Autor: Heiko Weckbrodt
Quellen: Fraunhofer Cachs, CNT, Assid, Oiger-Archiv
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