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Neue Materialien für neuromorphes Computing

15. Februar 2021, 12:24 Uhr   |  Heinz Arnold

Neue Materialien für neuromorphes Computing
© Fraunhofer IPMS

Fraunhofer IPMS präsentiert Entwicklung neuartiger Speicherkonzepte für neuromorphic Computing

Mit neuromorphen Architekturen lassen sich riesige Datenmengen sehr effizient verarbeiten. Das Fraunhofer IPMS entwickelt dazu neue Materialien und Hardware.

»Unser Gehirn ist ein Multitaskingmeister – es verarbeitet eine große Menge an Daten gleichzeitig und nutzt parallele neuronale Netze. Sie arbeiten parallel, im Gegensatz zu klassischen Computern, in denen die Rechenleistung von der Datenübertragungsrate zwischen Prozessor und Speicher abhängt. Neuromorphe Computer versuchen, diese Architektur nachzubilden. Besonders aussichtsreich sind Crossbar-Architekturen, die auf nichtflüchtigen Speichern wie ferroelektrischen Feldeffekttransitoren beruhen« sagt Dr. Wenke Weinreich, Bereichsleiterin am Center Nanoelectronic Technologies des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden. Zusammen mit ihrem Team entwickelt sie diese nichtflüchtigen Speicher und integriert sie in neuromorphe Chips, die besonders hohe Rechenleistungen besitzen und dabei extrem energiesparend arbeiten.

Ferroelektrische FETs auf Basis von Hf2

Das Fraunhofer IPMS arbeitet an neuen, nichtflüchtigen Speichertechnologien auf Basis von ferroelektrischem Hafniumdioxid (HfO2) für analoge und digitale neuromorphe Schaltungen. Ferroelektrische Materialien zeichnen sich durch eine Änderung ihrer Polarisation bei Anlegen eines elektrischen Feldes aus. Nach Abschalten der Spannung bleibt der Polarisationszustand erhalten. Mittels dieser ferroelektrischen Feldeffekttransistoren (FeFET) auf Basis von Hafniumdioxid im 28- und 22-nm-Technologieknoten können die für Deep-Learning Algorithmen notwendigen Gewichtswerte nicht nur direkt im Chip abgespeichert, sondern auch mit diesen Gewichtswerten gerechnet werden (In-Memory-Computing). Ähnlich dem menschlichen Gehirn ist die Hardware-Architektur der Chips so aufgebaut, dass Informationen bereits im System gespeichert und nichtflüchtig sind. Ein komplizierter Datentransfer zwischen Prozessor und Speicher ist nicht notwendig: die Denkleistung erfolgt bereits auf dem Chip.

Im Gegensatz zu den bisher verwendeten perovskitbasierten Materialien sind Hafniumoxid-basierte Speicher CMOS-kompatibel, bleifrei und bis hin zu sehr kleinen Technologieknoten skalierbar. Als einziges nichtflüchtiges Speicherkonzept werden ferroelektrische Speicher rein elektrostatisch betrieben und sind daher besonders stromsparend, weil zum Schreiben von Daten nur noch die Umladeströme der Kapazitäten aufgewendet werden müssen. Die Speicher- und Chipentwicklung wird hierbei entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der angewandten Materialforschung, Bauelemententwicklung, Integrationsarchitektur über die IP-Generierung bis hin zu integrierten Systemen getrieben.

Auf Basis dieser Technik entwickelt das Dresdner Startup-Unternehmen Ferroelectric Memory Company (FCM) bereits nichtflüchtige Speichertechnik. Das Unternehmen hatte kürzlich in einer zweiten Finanzierungsrunde 20 Mio. Dollar eingesammelt. FMC entwickelt zunächst embedded FeRAMs für den Einsatz auf SoCs. Bis in drei Jahren sollen sie fertig qualifiziert zu sein, so dass die Anwender auf die Speicher-Technologie zugreifen können, um die FeFETs als embedded Memory in ihren Controllern, SoCs und ASICs zu integrieren, erklärte Stefan Müller, Mitgründer und CTO von FMC, kürzlich in einem Interview mit Markt&Technik.

Das Fraunhofer IPMS präsentiert seine Entwicklungen auf dem Technology Unites Global Summit, einer internationalen Leitmesse der Mikroelektronikbranche. Diese findet vom 15. bis 19. Februar 2021 in digitaler Form statt. Zusätzlich können sich Besucher bei einer »Hosted Session« zum Thema »Advanced technologies and hardware for next generation computing« am 17. Februar um 9 Uhr über die Technologien des Fraunhofer IPMS informieren und bei einer Diskussionsrunde mit den Forschenden ins Gespräch kommen.

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