Bionik Forscher untersuchen Werkstoffe für biologisch inspirierte Elektronik

Eine Forschungsgruppe der TU Ilmenau entwickelt neue Werkstoffe für neurobiologisch inspirierte Elektronik. Die sogenannten neuromorphen elektronischen Systeme sollen eine weit höhere Energieeffizienz als heutige Elektronik bieten.

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Die digitale Revolution und der immer stärkere Einsatz von Künstlicher Intelligenz verändern Technologien und unsere Gesellschaft. Damit gehen aber ein stetig wachsender Energiebedarf und immer höhere Kohlendioxid-Emissionen einher.

IT-Hardware verbraucht ein Drittel der elektrischen Energie

Derzeit verbraucht die Hardware, die rund um den Globus in IT-Anwendungen eingesetzt wird, laut TU bereits ein Drittel der gesamten weltweit produzierten elektrischen Energie – Tendenz stark steigend: Wissenschaftliche Hochrechnungen prognostizieren, dass schon in rund 15 Jahren die gesamte weltweite Produktion an elektrischer Energie nicht mehr ausreichen wird, um den Leistungsbedarf der IT-Hardware zu decken.

Höhere Energieeffizienz mit neuromorphen elektronischen Systeme

Wissenschaftler der TU Ilmenau setzen daher auf sogenannte neuromorphe elektronische Systeme, die eine weit höhere Energieeffizienz als heutige Elektronik versprechen. In diesen von der Biologie inspirierten elektronischen Systemen sind memristive Werkstoffe der zentrale Baustein. Mit ihrem „Gedächtnis“ ermöglichen es diese intelligenten Materialien, Lern- und Gedächtnisprozesse biologischer Systeme technisch nachzubilden. Das Wort memristiv setzt sich zusammen aus dem Englischen „Memory“ für Speicher und „Resistor“ für elektrischer Widerstand.

Informationsverarbeitung zwischen Nervenzellen nachbilden

Mit solchen sogenannten memristiven Materialien können elektronische Bauelemente hergestellt werden, die die biologische Informationsverarbeitung zwischen Nervenzellen nachbilden. Damit sollen sich energieeffiziente Elektroniken realisieren lassen, die einen wichtigen Beitrag zur Verringerung der weltweiten Belastung an Kohlendioxid leisten. Das Verbundprojekt „Memristive Werkstoffe für die neuromorphe Elektronik (Memwerk)“ wird von der Carl-Zeiss-Stiftung im Rahmen des Programms „Durchbrüche“ mit 4,5 Millionen Euro für fünf Jahre gefördert.

Intelligente Werkstoffe für neuromorphe Elektronik

Im Verbundprojekt „Memristive Werkstoffe für die neuromorphe Elektronik (Memwerk)“ erforschen Wissenschaftler aus der Werkstoffwissenschaft, der Informatik sowie der Elektrotechnik und Informationstechnik, wie sich die Informationsverarbeitung biologischer Systeme in energieeffiziente technische Systeme überführen lässt.

Ziel des Forschungsprojekts sind maßgeschneiderte intelligente memristive Werkstoffe für die neuromorphe Elektronik. Prof. Ziegler, wissenschaftlicher Leiter des Projekts, ist zuversichtlich, dass sich mit memristiven Bauelementen in Zukunft höchst energieeffiziente Systeme entwickeln lassen: „Wir werden in der Lage sein, die biologischen Paradigmen der Informationsverarbeitung, Lernen und Gedächtnisbildung, so präzise wie nie zuvor technisch nachzubilden und völlig neue Möglichkeiten für die Informationstechnik schaffen.“

Werkstoffanalysen für maßgeschneiderte elektronische Bauelemente

In theoretischen und experimentellen Arbeiten wird eine 26-köpfige Forschergruppe aus sechs Fachgebieten der TU Ilmenau umfassende Werkstoffanalysen durchführen, innovative neuronale Netzwerkstrukturen entwerfen, memristive Werkstoffe entwickeln und aus diesen Werkstoffen elektronische Bauelemente modellieren und herstellen, um damit energieeffiziente neuromorphe Schaltkreise zu realisieren.

Zudem werden die Wissenschaftler ein digitales Kartierungssystem für memristive Werkstoffe entwickeln, das die Material-Eigenschaften und die technologischen Parameter der Werkstoffsynthese und Bauelemententwicklung in direkten Bezug setzt zu den Charakteristika und Leistungsparametern neuromorpher Schaltkreise. Von diesem Vorgehen versprechen sich die Wissenschaftler, Werkstoffe für neuromorphe Elektronik maßzuschneidern.

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