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Den Datenhunger der KI zähmen

Mit Hafniumdoxid zu neuromorphem Computing

2. Dezember 2025, 9:04 Uhr | Heinz Arnold

Nahaufnahme (Dieshot) von ferroelektrischen Speicherchips auf einem 300-mm-Wafer des Fraunhofer IPMS.

Rechenoperationen direkt im Speicher ausführen zu können, senkt den Energieaufnahme. Dazu entwickeln das Fraunhofer IPMS, das Fraunhofer IMWS und das taiwanesische Forschungsinstitut TSRI gemeinsam Speicher auf Basis von Hafniumoxid.

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Genauer gesagt bilden ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeMFETs) auf Hafniumoxidbasis die Grundlage. Diese Nanosheet-Bauelemente ermöglichen Rechenoperationen direkt im Speicher und senken so den Energieverbrauch drastisch. Sie arbeiten in Speicherzellen mit Strukturgrößen von unter 3 nm. Das Fraunhofer IPMS, das Fraunhofer IMWS und das taiwanesische Forschungsinstitut TSRI werden eine gemeinsame Forschungslinie betreiben, um dort die Basis für die nächste Generation energieeffizienter KI-Chips zu schaffen, die in zahlreichen unterschiedlichen Sektoren – von Smartphones über Automobile bis zu medizinischen Geräten – zum Einsatz kommen können.

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Angesichts des rasant wachsenden Bedarfs und an KI und neuromorphem Computing steigt der Energieverbrauch von Rechenzentren und Edge-Systemen dramatisch. Ein zentraler Flaschenhals ist der Datentransfer zwischen Hauptspeicher und Recheneinheit. Ein gemeinsames deutsch-taiwanesisches Projekt will genau hier ansetzen: Durch eine neuartige Speichertechnologie soll künftig Rechnen direkt im Speicher möglich werden, und das mit deutlich geringerer Verzögerung und geringerem Energieaufwand.

»Wir gestalten eine Plattform, die Speichertechnologie und Rechenleistung modernster Chips enger miteinander verknüpft. Das eröffnet neue Möglichkeiten für KI-Systeme und reduziert gleichzeitig den Energieverbrauch«, sagt Dr. Maximilian Lederer, Projektleiter am Fraunhofer IPMS.

Ferroelectric FETs (FeFETs) auf Hafniumoxid-Basis gelten dafür als besonders geeignet: Dank dünner Hafniumoxid-Schichten lässt sich die Technologie in moderne Halbleiterprozesse integrieren. Zudem arbeiten diese Bauelemente kapazitiv (statt resistiv) und verbrauchen so in eingebetteten Systemen bis zu etwa 100-mal weniger Energie als vergleichbare nichtflüchtige Speicher.

Das finale Ziel der Kooperation ist die Einrichtung einer 300-mm-Forschungslinie, die Speicher nicht nur für Consumer-Anwendungen, sondern auch für Automotive, Industrie und Medizintechnik entwickelt.

»Die deutsch-taiwanesische Zusammenarbeit vereint Schlüsselkompetenzen – von der Materialentwicklung über die hochauflösende Materialcharakterisierung bis hin zu modernsten Bauelementarchitekturen. Gemeinsam schaffen wir eine Plattform für die nächste Generation energiesparender Speichertechnologien«, fügt Dr. Chien-Nan Liu hinzu, Direktor des Taiwan Semiconductor Research Institute, National Institutes of Applied Research (TSRI, NIAR).