TU Ilmenau Biologie inspiriert intelligente Elektronik

Aus dem Projekt sollen Werkstoffe für Bauelemente in energieeffizienten neuromorphen Schaltkreisen entstehen.

Ein Forschungsprojekt der TU Ilmenau will mit memristiven Materialien energieeffiziente elektronische Bauelemente herstellen. Als Vorbild dient die biologische Informationsverarbeitung zwischen Nervenzellen.

Die Technische Universität Ilmenau entwickelt in einer Forschergruppe neuartige Werkstoffe für biologisch inspirierte Elektronik. 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. »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«, erklärt Professor Ziegler, wissenschaftlicher Leiter des MemWerk-Projekts.

Lernprozesse in Baumaterialien

In dem Verbundprojekt erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Werkstoffwissenschaft, der Informatik sowie der Elektrotechnik und Informationstechnik, wie sich die Informationsverarbeitung biologischer Systeme in energieeffiziente technische Systeme überführen lässt. Dabei setzen sie auf sogenannte neuromorphe elektronische Systeme, die eine weit höhere Energieeffizienz als heutige Elektroniken versprechen. Darin sind memristive Werkstoffe der zentrale Baustein. Das Wort memristiv setzt sich aus den englischen Begriffen »Memory“ für Speicher und »Resistor« für elektrischer Widerstand zusammen. Die intelligenten Materialien ermöglichen es, Lern- und Gedächtnisprozesse biologischer Systeme technisch nachzubilden.

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 wollen die Wissenschaftler ein digitales Kartierungssystem für memristive Werkstoffe entwickeln, das die Materialeigenschaften und die technologischen Parameter der Werkstoffsynthese und Bauelemententwicklung in direkten Bezug zu den Charakteristika und Leistungsparametern neuromorpher Schaltkreise setzt.

Zukünftige Energieprobleme lösen

Die Forschergruppe wird ihre Arbeiten im ForLab durchführen, das im Institut für Mikro- und Nanotechnologien der TU Ilmenau, IMN MacroNano®, angesiedelt ist. ForLab ist ein Forschungslabor für neuromorphe Elektronik, das vom Bundesforschungsministerium im Rahmen des Infrastruktur-Programms »Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland« gefördert wird. Mit dem Projekt will man einem zukünftigen Energieproblem entgegentreten: Im Rahmen der digitalen Transformation verbraucht die Hardware, die rund um den Globus in IT-Anwendungen eingesetzt wird, 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.