Techifab Sachsen arbeitet an Neurochip für Autos und Maschinen
Physikerin Heidemarie Krüger aus Jena will aus Memristoren praxistaugliche dezentrale Entscheidungshelfer machen
Dresden/Jena/Freiberg, 12. Januar 2024. Mit merkfähigen künstlichen Nervenzellen-Verbindungen aus Wismut und Rost will die Physikerin Prof. Heidemarie Krüger in ihrem sächsischen Unternehmen „Techifab“ neue Neurochips bauen. Die vernetzten Memristoren sollen ähnlich wie die Neuronen-Synapsen-Netze im menschlichen Gehirn lernfähig sein, Muster erkennen und dabei weit weniger Energie verbrauchen als klassische Computerchips. Als dezentrale Entscheidungshelfer an Sensoren könnten diese kleinen Datenverarbeiter beispielsweise autonomen Autos helfen, mit komplexen Verkehrslagen zurecht zu kommen, aber auch nahende Ermüdungs-Schäden in anderen Maschinen erkennen.
„Mit minimalem Energieverbrauch komplexe Entscheidungen“
„Unser Ziel ist es, das Gehirn als Vorbild zu nutzen, um eine Technologie zu schaffen, die mit minimalem Energieverbrauch komplexe Entscheidungen logisch nachvollziehbar trifft“, erklärt Heidemarie Krüger, die unter anderem an der Uni Jena und am Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena forscht sowie die Ausgründung „Techifab“ am Stadtrand zwischen Radeberg und Dresden mitleitet, das die künstlichen Neuronen und Synapsen in die Praxis transferiert. „Wir konnten zeigen, dass diese künstlichen Synapsen selbst komplexe Rechenaufgaben wie Matrixmultiplikationen effizient bewältigen können.“
Memristor eher zufällig entdeckt
Den Mechanismus dahinter hatten die Forscher im Jahr 2011 eher zufällig in den HZDR-Laboren entdeckt: Bei einer Materialanalyse merkten sie, dass sich der untersuchte Werkstoff wie eine Kombination aus Speicher („Memory“) und sich wandelndem Widerstand („Resistor“) also wie ein Memristor verhält. Die „Bereitschaft“ solch eines Bauteil, Informationen passieren zu lassen, ändert sich nach und nach dauerhaft durch frühere „Entscheidungen“. Darin ähnelt ein Memristor den Neuronen-Synapsen-Netzen im Gehirn. Konkret benutzt das Team dafür eine Materialkombination aus Wismut und Eisenoxid.
2021 gründeten Heidemarie Schmidt and Stephan Krüger auf dieser Basis in Nachbarschaft zum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf das Unternehmen „Techifab“ aus, das diese Technologie kommerzialisieren soll. Von der Bundes-Sprungagentur bekam das junge Unternehmen einen zweistelligen Millionenbetrag als Förderung. Die Hoffnung dabei: Letztlich am Halbleiterstandort Dresden eine Fabrik für solche Neurochips zu etablieren.
Derzeit 32 Memristoren gekoppelt
Krügers aktueller Prototyp verfügt über 32 Memristoren. „In der nächsten Entwicklungsstufe sollen es über 200 werden, um komplexe neuronale Netze abzubilden und neue Anwendungen in autonomen Systemen zu ermöglichen“, kündigt das IPHT an. Damit ist Techifab zwar noch weit von der Leistungskraft eines menschlichen Gehirns mit seinen rund 86 Milliarden Neuronen entfernt. Aber für kleine dezentrale Datenvorverarbeiter – zum Beispiel an Autokameras oder an Schwingungssensoren in Werkzeugmaschinen – könnten solche kleinen Neurochips hilfreich sein, um in Datenfluten wichtige Signale zu erkennen und nur diese an einen Zentralrechner oder in die Rechnerwolke („Cloud“) weiterzuleiten. Diese „Edge Cloud“ genannte Methode kann Überlastungen und Stromverbrauch in Rechenzentren mindern, zudem auch schnellere Echtzeit-Entscheidungen vor Ort ermöglichen. Laut IPHT testet Krügers Team die Technologie inzwischen in Pilotprojekten gemeinsam mit der Bergakademie Freiberg unter realen Bedingungen. „Dabei hat sich gezeigt, dass der neuromorphe Chip sogar kleinste Veränderungen zuverlässig erkennen und Verschleißmuster präzise prognostizieren kann.“
Im Mikroelektronik-Cluster „Silicon Saxony“ gibt es bereits mehrere Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die an Neuroelektronik arbeiten. Dazu gehören beispielsweise die TU Dresden, das Fraunhofer-Zentrum Ceasax, das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Infineon, Globalfoundries als Auftragsfertiger und andere. Bis zur Massenmarktreife haben es diese Neurochips aber bisher noch nicht geschafft.
Autor: hw
Quellen: Idw, IPHT, Oiger-Archiv, Silicon Saxony, Wikipedia
Wissenschaftliche Publikationen:
„Nonvolatile bipolar resistive switching in Au/BiFeO3/Pt“ von Y. Shuai, S. Zhou, D. Bürger, M. Helm, H. Schmidt, in: J. Appl. Phys. 109, 124117 (2011), Appl. Phys. 109, 124117 (2011), https://doi.org/10.1063/1.3601113
„Prospects for memristors with hysteretic memristance as so-far missing core hardware element for transfer-less data computing and storage“ von H. Schmidt, J. Appl. Phys. 135, 200902 (2024), https://doi.org/10.1063/5.0206891
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