Künstliche Synapsen nach Vorbild des Gehirns
Sie erleichtert uns das Einparken, gibt uns Einkaufsvorschläge oder bestellt Waren bei Amazon: Künstliche Intelligenz (KI) erweist sich oft als große Hilfe für uns Menschen. Dabei analysiert sie in wenigen Sekunden riesige Datenmengen - bisher immer auf Basis einer Software. Doch so intelligent die Algorithmen auch sein mögen, herkömmliche Computerchips stoßen zunehmend an ihre Grenzen. Ihre Rechenleistung ist unzureichend und sie verbrauchen zu viel Strom. Anwendungen wie das autonome Fahren mit "Connected Cars" sind praktisch nicht umsetzbar. Die Lösung: Auch die Hardware muss intelligent sein. Vielversprechend sind künstliche Synapsen, die den Neuronen im menschlichen Gehirn nachempfunden sind und eine ähnliche Lernfähigkeit besitzen.
Neue Funktionalität für künstliche Synapsen gesucht
Entscheidend bei diesen künstlichen Synapsen ist die Lernfähigkeit. Denn nur sie ermöglicht es ihnen ähnlich dem biologischen Vorbild, eine Vorauswahl für die wirklich nötigen Daten zur Verarbeitung zu treffen. Genau dies gelang Forschern von Heraeus und der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) . Sie haben herausgefunden, wie sich künstliche Synapsen beliebig schalten und sich somit Datenmengen kontrollieren lassen. Durch die Integration einer Art von Widerstand kann zwischen niedrigen und hohen Spannungswerten gewechselt werden. So lässt sich steuern, welche Daten zuerst vom intelligenten System verarbeitet werden sollen. Und das sehr viel energieeffizienter als vorher. Ermöglicht wird dies durch einen besonderen Clou.
Der Kniff: Memristoren mit Fremdatomen in der Oxidschicht
Um die Schaltzeiten der künstlichen Synapsen und damit auch die Datenverarbeitung beeinflussen zu können, hat Heraeus als erster gezielt Fremdatome in die hochreine, ultradünne, amorphe Quarzglasschicht (Siliziumdioxid), aus der die Memristoren bestehen, eingebracht. Dabei entdeckten die Experten, dass sich über die Anzahl der Fremdatome unterschiedlich erregbare Arten von künstlichen Synapsen konstruieren lassen. Mit diesem Wissen könnten Hersteller memristive Elemente mit genau den Funktionen entwickeln, die sie brauchen.
Die gezielt dotierten Gläser werden vom Quarzglasspezialisten Heraeus Conamic entwickelt und hergestellt, der auch das Patent daran hält. Ein Test brachte auch gleich einen neuen Schaltzeitrekord von 1,4 Nanosekunden – zuvor lag er noch bei 10 Nanosekunden. Ideale Voraussetzungen, um die Entwicklung neuro-inspirierter Computer voranzutreiben.
