17.08.2022 - Forschungszentrum Jülich GmbH

Synapsen als Vorbild: Festkörperspeicher in neuromorphen Schaltungen

Wegweiser für Design von Memristor-Hardware

Sie sind um ein Vielfaches schneller als Flash-Speicher und benötigen deutlich weniger Energie: Memristive Speicherzellen könnten die Energieeffizienz neuromorpher Computer revolutionieren. In diesen Rechnern, die sich die Arbeitsweise des menschlichen Gehirns zum Vorbild nehmen, funktionieren memristive Zellen wie künstliche Synapsen. Weltweit arbeiten zahlreiche Gruppen an dem Einsatz entsprechender neuromorpher Schaltungen – allerdings oft mit mangelndem Verständnis ihrer Funktionsweise und fehlerhaften Modellen. Jülicher Forschende haben nun die physikalischen Grundlagen und Modelle in einem umfassenden Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift „Advances in Physics“ zusammengefasst.

Bestimmte Aufgaben – etwa das Erkennen von Mustern und Sprache – erledigt ein menschliches Gehirn hocheffizient und benötigt dafür nur etwa ein Zehntausendstel der Energie eines konventionellen, sogenannten „von Neumann“-Computers. Einer der Gründe liegt in den strukturellen Unterschieden: In einer von-Neumann Architektur gibt es eine klare Trennung zwischen Speicher und Prozessor, was ständiges Verschieben großer Datenmengen erfordert. Das ist zeit- und energieaufwändig – der sogenannte von Neumann-Flaschenhals. Im Gehirn erfolgt die Rechenoperation direkt im Datenspeicher und die biologischen Synapsen übernehmen die Aufgaben von Speicher und Prozessor zugleich.

In Jülich arbeiten Wissenschaftler seit über 15 Jahren an speziellen Datenspeichern und Bauelementen, die ähnliche Eigenschaften aufweisen können wie die Synapsen im menschlichen Gehirn. Sogenannte memristive Speicherbauelemente, auch Memristoren genannt, gelten als äußerst schnell, energiesparend und lassen sich sehr gut bis in den Nanometerbereich miniaturisieren. Die Funktionsweise memristiver Zellen beruht auf einem ganz besonderen Effekt: Ihr elektrischer Widerstand ist nicht konstant, sondern lässt sich durch das Anlegen einer äußeren Spannung verändern und wieder zurücksetzen, im Idealfall stufenlos. Gesteuert wird die Widerstandsänderung durch die Bewegung von Sauerstoff-Ionen. Bewegen diese sich aus der halbleitenden Metalloxidschicht heraus, so wird das Material leitfähiger und der elektrische Widerstand sinkt. Diese Widerstandsänderung kann man zur Speicherung von Informationen einsetzen.

Die Prozesse, die in den Zellen auftreten können, sind sehr komplex und variieren je nach Materialsystem. Drei Forscher des Jülicher Peter Grünberg Instituts – Prof. Regina Dittmann, Dr. Stephan Menzel und Prof. Rainer Waser – haben deshalb ihre Forschungsergebnisse in einem ausführlichen Reviewartikel zusammengetragen, “Nanoionic memristive phenomena in metal oxides: the valence change mechanism”. Sie erklären detailliert die verschiedenen physikalischen und chemischen Effekte in den Memristoren und beleuchten den Einfluss dieser Effekte auf die Schalteigenschaften memristiver Zellen und deren Zuverlässigkeit.

„Wenn man die aktuellen Forschungsaktivitäten im Bereich neuromorpher Memristorschaltungen betrachtet, so basieren diese häufig auf empirischen Ansätzen der Materialoptimierung“, so Rainer Waser, Direktor am Peter Grünberg Institut. „Wir haben uns das Ziel gesetzt, mit unserem Reviewartikel den Forschenden etwas in die Hand zu geben, um eine Erkenntnis-orientierte Materialoptimierung zu ermöglichen“. Das Autorenteam hat zehn Jahre lang an dem etwa 200-seitigen Artikel gearbeitet und musste dabei naturgemäß immer wieder den Erkenntnisfortschritt mit einarbeiten.

„Die analoge Funktionsweise memristiver Zellen, die man für deren Einsatz als künstliche Synapsen benötigt, ist nicht der Normalfall. Üblicherweise kommt es zu plötzlichen Sprüngen des Widerstands, erzeugt durch die wechselseitige Verstärkung von Ionenbewegung und Joulscher Wärme“, erläutert Regina Dittmann vom Peter Grünberg Institut. „In unserem Reviewartikel liefern wir den Forschenden das notwendige Verständnis, wie die Dynamik der Zellen so verändert werden kann, dass ein analoger Betriebsmodus möglich ist.“

„Man sieht immer wieder, dass die Gruppen ihre Memristorschaltungen mit Modellen simulieren, die hohe Dynamik der Zellen überhaupt nicht berücksichtigen. Diese Schaltungen werden niemals funktionieren.“ so Stephan Menzel, der die Modellierungsaktivitäten am Peter Grünberg Institut leitet und leistungsfähige Kompaktmodelle entwickelt hat, die mittlerweile öffentlich zugängig sind. „In unserem Reviewartikel liefern wir die Grundlagen, die für eine korrekte Verwendung unserer Kompaktmodelle extrem hilfreich sind.“

Roadmap neuromorphes Computing

Wie neuromorphes Computing dazu beitragen kann, den enormen Energieverbrauch der IT global zu reduzieren, zeigt die „Roadmap of Neuromorphic Compting and Engineering“, die im Mai 2022 erschienen ist. Forschende des Peter Grünberg Instituts (PGI-7) haben darin zusammen mit führenden Experten auf diesem Gebiet die verschiedenen technologischen Möglichkeiten, Rechenansätze, Lernalgorithmen und Anwendungsfelder zusammengestellt.

Anwendungen im Bereich der künstlichen Intelligenz wie zum Beispiel Mustererkennung oder Spracherkennung dürften demnach in besonderer Weise vom Einsatz neuromorpher Hardware profitieren. Denn sie basieren – viel stärker als klassische numerische Rechenoperationen – auf dem Verschieben großer Datenmengen. Memristive Zellen ermöglichen es, diese gigantischen Datensätze direkt im Speicher zu verarbeiten, ohne sie zwischen Prozessor und Speicher hin und her zu transportieren. Die Energieeffizienz künstlicher neuronaler Netze könnte sich dadurch um Größenordnungen verringern.

Memristive Zellen lassen sich zudem zu hochdichten Matrizen zusammenschalten, die das Lernen neuronaler Netze vor Ort ermöglichen. Dieses sogenannte Edge Computing verlagert die Berechnungen also vom Rechenzentrum in die Fabrikhalle, ins Fahrzeug oder in die Wohnung pflegebedürftiger Menschen. Somit kann die Überwachung und Steuerung von Abläufen oder die Einleitung von Rettungsmaßnahmen erfolgen, ohne Daten über eine Cloud zu senden. „Damit erreicht man zwei Dinge gleichzeitig: Man spart Energie und gleichzeitig bleiben persönliche und schutzrechtlich relevante Daten vor Ort“, so Frau Prof. Dittmann, die als Editorin maßgeblich an der Erstellung der Roadmap beteiligt war.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Memristive Speicherzellen
  • Computer
  • Memristoren
Mehr über Forschungszentrum Jülich
  • News

    Neue Regel für die Orbitalbildung bei chemischen Reaktionen entdeckt

    Quietschbunt, wolkenförmig oder kugelrund – Elektronenorbitale zeigen, wo und wie sich Elektronen um Atomkerne und Moleküle bewegen. In der modernen Chemie und Physik werden sie für die quantenmechanische Beschreibung und Vorhersage chemischer Reaktionen eingesetzt. Nur wenn sich die Orbita ... mehr

    Neue Einblicke in das Wechselspiel topologischer Isolatoren

    Wolfram-di-Tellurid (WTe2) hat sich zuletzt als vielversprechendes Material zur Realisierung topologischer Zustände bewährt. Diese gelten aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften als Schlüssel für neuartige „spintronische“ Bauelemente und Quantencomputer der Zukunft. Physik ... mehr

    Forscher erreichen Fusionsenergie-Rekord

    Den Forschern und Forscherinnen von EUROfusion ist es gelungen, einen Energiepuls in bisher unerreichter Höhe zu erzeugen. Bei dem Rekordversuch setzten die Fusionsreaktionen im Joint European Torus (JET) während eines fünf Sekunden dauernden Plasma-Pulses insgesamt 59 Megajoule Energie in ... mehr

  • Videos

    Zukunft ist unsere Aufgabe: Das Forschungszentrum Jülich

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung in den Bereichen Energie und Umwelt sowie Information und Gehirn. Es stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart und entwickelt Schlüsseltechnologien für morgen. mehr

    Die (R)Evolution der Elektronenmikroskopie - So funktioniert PICO

    Das Elektronenmikroskop PICO erreicht eine Rekordauflösung von 50 Milliardstel Millimetern. Es ermöglicht Anwendern aus Wissenschaft und Industrie, atomare Strukturen in größtmöglicher Genauigkeit zu untersuchen und Fortschritte in Bereichen wie der Energieforschung oder den Informationstec ... mehr

  • Stellenangebote

    Chemielaborant / Chemisch-Technischer Assistent (w/m/d)

    Batterien bewegen uns und unsere Welt – sie starten unser Auto, lassen die Zeiger unserer Uhren laufen und sorgen dafür, dass wir überall Bilder mit unseren Smartphones machen können. Am Helmholtz-Institut Münster – Ionenleiter für Energie­speicher (IEK-12) – fokussieren wir uns auf die Ele ... mehr

  • Firmen

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Forschungsförderung im Auftrage der Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF), Wirtschaft (BMWA), Umwelt (BMU) sowie verschiedener Bundesländer. mehr

  • Forschungsinstitute

    Forschungszentrum Jülich GmbH

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Energie & Umwelt sowie Informationstechnologie. Kombiniert mit den beiden Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing werden in Jül ... mehr

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Erfolgreiche Wissenschaft braucht mehr als gute Forschung. Damit öffentliche Förderprogramme ihre Ziele erreichen, Industriepartner und Forschungseinrichtungen gewinnbringend zusammenarbeiten und Forscher über Fördermöglichkeiten in ihrem Arbeitsfeld gut informiert sind, ist Sachverstand im ... mehr

  • q&more Artikel

    Makromolekulare Umgebungen beeinflussen Proteine

    Eine intensive Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Makromolekülen kann wichtige Eigenschaften von Proteinen wie z. B. die Translationsbeweglichkeit oder den Konformationszustand signifi kant verändern. mehr

    Koffein-Kick

    Koffein ist die weltweit am weitesten verbreitete psycho­aktive Substanz. Sie findet sich als Wirkstoff in Getränken wie Kaffee, Tee und sog. Energy Drinks. Koffein kann Vigilanz und Aufmerksamkeit erhöhen, Schläfrigkeit reduzieren und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern. Seine neurob ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Fitter

    Jg. 1963, studierte Physik an der Universität Hamburg. Nach seiner Promotion an der FU Berlin war er im Bereich der Neutronenstreuung und der molekularen Biophysik am HahnMeitnerInstitut in Berlin und am Forschungszentrum Jülich tätig. Er habilitierte sich in der Physikalischen Biologie der ... mehr

    Dr. David Elmenhorst

    David Elmenhorst, geb. 1975, studierte Medizin in Aachen und promovierte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln im Bereich der Schlafforschung. 2008/2009 war er Gastwissenschaftler am Brain Imaging Center des Montreal Neuro­logical Institut in Kanada. Seit 2003 ist er in der A ... mehr

    Prof. Dr. Andreas Bauer

    Andreas Bauer, geb. 1962, studierte Medizin und Philo­sophie in Aachen, Köln und Düsseldorf, wo er auf dem Gebiet der Neurorezeptorautoradiografie promovierte. Seine Facharztausbildung absolvierte er an der Universitätsklinik Köln, er habilitierte an der Universität Düsseldorf im Fach Neuro ... mehr