ITF 2017 Imec-iminds -Kombination trägt erste Früchte

Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Betriebsstroms im OxRAM-basierten Chip (Bild: Imec)

Im Februar 2016 wurde die Entscheidung getroffen, im September war der Deal abgeschlossen: Das Imec fusionierte mit dem iminds, wodurch die Expertise in der Mikroelektronik mit dem Know-how in Software und ICT-Anwendungen zusammengebracht wurde. Jetzt liegen die ersten Ergebnisse dieser Fusion vor.

Dass die Fusion der richtige Schritt zur richtigen Zeit war, davon ist Praveen Raghavan, Distinguished Member of Technical Staff vom Imec, überzeugt. Denn damit habe das Imec Hardware-, System-Design- und Software-Expertise unter einem Dach vereint, weshalb das Forschungszentrum hervorragend positioniert sei, um neuromorphes Computing voranzubringen. Neuromorphe ICs gelten als einer der vielversprechendsten Ansätze, wenn es darum geht, die Rechenleistung deutlich zu erhöhen und gleichzeitig die Leistungsaufnahme stark zu reduzieren. Neuromorphe ICs imitieren das menschliche Gehirn, das lernfähig ist, weil es Verbindungen zwischen Neuronen verstärkt oder abschwächt. Ähnlich funktionieren neuromorphe ICs, weshalb auch sie lernfähig sind.

Das Imec hat jetzt einen in 65 nm gefertigten Technologie-Demonstrator gezeigt, wobei Raghavan betont, dass dabei nicht die Architektur optimiert wurde. Raghavan ist überzeugt, dass die gemeinsame Optimierung seitens der Entwickler vom Imec und iminds auf der Hardware- und Software-Seite notwendig war, um einen Chip realisieren zu können, der einerseits nicht nur für anspruchsvolle Aufgaben wie Maschinenlernen geeignet ist, sondern andererseits auch sehr klein ist und sehr wenig Leistung aufnimmt.

Der selbstlernende neuromorphe Chip basiert auf einer OxRAM-Speichertechnologie. Der Chip wurde zunächst mit rund 40 Menuetten trainiert, um die Regeln zu lernen. Dabei lernte er nicht nur die unterschiedlichen Notenlängen und Sequenzen von Tonintervallen, sondern auch, welche Notenfolgen wahrscheinlich sind, welche unwahrscheinlich. All das legte der Chip gewichtet im OxRAM ab. Im zweiten Schritt hat er aufgrund seiner Speicherinhalte selbstständig ein Musikstück komponiert – und das Ergebnis ist beachtlich gut, denn keine Dissonanzen stören das Gehör.

OxRAM (oxide-based resistive memory) eignet sich aus der Sicht von Raghavan für diese Aufgabe sehr gut. Denn bei dieser resistiven Speichertechnik kann die Leitfähigkeit des Speichermaterials, das zwischen zwei Elektroden sitzt, unterschiedliche Werte annehmen, was hervorragend dazu passt, unterschiedliche Gewichtungen abzubilden. Laut Raghavan könnten auch andere Speichertechnologien zum Einsatz kommen, aber die hätten den Nachteil, dass die konkurrierenden Ansätze typischerweise mehrere Bits brauchen, um verschiedene Werte darzustellen, was sich in einem größeren Flächenverbrauch äußert. Raghavan: »OxRAM hat den Vorteil, dass die Technik sehr dichte und energiesparende Speicherzellen zulässt. Außerdem eignet sich die Technik für die Serienfertigung.«

Langfristig verfolgt Imec mit diesen Entwicklungen folgendes Ziel: Hardware und Software sollen weiterentwickelt werden, um am Ende einen leistungsstarken, kostengünstigen, miniaturisierten und energiesparenden Chip zu realisieren, so dass diese neuromorphen ICs auch in vielen Embedded-Anwendungsbereichen eingesetzt werden können: im Gesundheitswesen, in Energieapplikationen, Verkehrsmanagement etc.

Security – vielschichtiges Problem verlangt vielschichtige Antworten
 
Inzwischen gibt es so viele Hacker-Angriffe, dass jedem klar sein muss, dass hier eine ernsthafte Bedrohung besteht. Egal ob es Malware ist, die wichtige Dateien auf PCs verschlüsselt und nur gegen Geld wieder freischaltet, oder die bekannten Angriffe auf Fahrzeuge sind: In jedem Fall kann der Schaden enorm sein. Das Problem ist vielschichtig, ein einziger Lösungsansatz existiert nicht, vielmehr sind unterschiedliche Ansätze notwendig, um die Security auf verschiedenen Ebenen zu gewährleisten. Dass dem so ist, erklärt Thomas Kallstenius, Program Director beim Imec, anhand eines Zitats des Kryptographie-Experten Bruce Schneier: »Komplexität ist der Feind der Security.« Und weiter: »Komplexität lässt sich aber nicht verhindern.«

Das fängt beim Programm-Code an, der in vielen Fällen mittlerweile riesige Umfänge angenommen hat. Kommt das Mac-Betriebssystem OS X 10.4 auf knapp 90 Mio. Zeilen, umfasst der Programm-Code für den Ford F150 (2016) sogar rund 150 Mio. Zeilen. Glaubt man Steve C. McConnell, bekannter Programmier-Spezialist und Autor vieler Bücher, dann sind in 1000 Zeilen Code zwischen 10 und 50 Fehler enthalten. Und selbst wenn der Code auf Herz und Nieren getestet und verbessert wurde, bleiben noch durchschnittlich 0,5 Fehler pro 1000 Zeilen Code übrig. Kallstenius weiter: »Beim Ford F150 mit dem größten Code-Umfang und 150 Mio. Zeilen Programm-Code heißt das, dass 75.000 Fehler übrig bleiben, selbst nach der Optimierung.«