Wenn Strom Spuren hinterlässt: Zukunftscluster NeuroSys beobachtet, was im Chip passiert, wenn er sich erinnert

Künstliche Intelligenz benötigt heute riesige, stromfressende Rechenzentren. Der Zukunftscluster NeuroSys will das ändern und Computerchips bauen, die so effizient wie das menschliche Gehirn arbeiten. Forschenden des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente der RWTH, der AMO GmbH und des Forschungszentrums Jülich ist im Rahmen ihrer Arbeiten im Zukunftscluster NeuroSys nun ein entscheidender Blick in das Herzstück dieser neuen Technik gelungen: Sie konnten erstmals filmen, wie kleinste Stromverbindungen in einer neuen Generation von Mikrochips entstehen.

Aktuelle Mikrochips und Computer trennen streng zwischen „Rechnen“ und „Speichern“. Das Hin- und Herschieben der Daten verbraucht dabei die meiste Energie. Im Gegensatz dazu speichern und verarbeiten Nervenzellen im menschlichen Gehirn Informationen gleichzeitig. Die im Zukunftscluster NeuroSys entwickelten Memristoren sind spezielle Bauteile, die sich das Gehirn zum Vorbild nehmen und sich „merken“ können, wie viel Strom zuvor durch sie geflossen ist. Um Memristoren zu verbessern, müssen die Vorgänge in ihrem Inneren erforscht werden. Die Vorgänge sind allerdings so winzig, dass herkömmliche Aufnahmemethoden nicht ausreichen, um sie zu sehen. Das Team nutzte deshalb eine Art „Nano-Live-Kamera“: die operando-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) setzt an Stelle von Lichtstrahlen Elektronenstrahlen ein, um Strukturen im Nanometerbereich sichtbar zu machen.

So beobachtete das Forschungsteam hauchdünne Materialschichten, die nur aus wenigen Atomlagen bestehen. In diesen Schichten bilden sich unter Spannung winzige „Pfade“ aus Atomen (sogenannte Filamente), über die der Strom fließt. Bisher konnte man diese Pfade nur fotografieren nachdem sie entstanden waren. Den Forschenden ist es nun erstmals gelungen, live zu filmen, wie sich diese Pfade bilden, entwickeln und auflösen, während das Bauteil im Einsatz ist. Hier ist ein großer Fortschritt gelungen, um die Vorgänge im Inneren der Memristoren besser zu verstehen. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt unterstützt diese Forschung von NeuroSys im Rahmen der Zukunftscluster-Initiative.

Die Ergebnisse der Studie hat das Team im August in der Nature Communications veröffentlicht. „Wir können jetzt live zusehen, wie diese winzigen Strompfade entstehen und wieder verschwinden“, erklärt die Hauptautorin Dr. Ke Ran. „Das ist besonders wichtig für neuartige Bauelemente auf Basis zweidimensionaler Materialien, deren Filamentverhalten bislang noch nicht ausreichend verstanden ist. Durch die Korrelation von elektrischer Leistung und den Bilddaten während des Betriebs gewinnen wir tiefgehende Einblicke in die Filament-Dynamik und das Schaltverhalten und ebnen so den Weg für zuverlässigere und effizientere Speichertechnologien“. Professor Max Lemme, Sprecher von NeuroSys, ergänzt: „Die Herstellung von Nanobauelementen und deren elektrische Charakterisierung erfordern ständiges Feedback, viele Iterationen und eine hochentwickelte Infrastruktur. Ich bin sehr stolz auf das gesamte Team, das dies möglich gemacht hat.“

Diese Forschung hilft besser zu verstehen, wie man neuartige Computerchips zuverlässig und langlebig baut. Dieser Durchbruch ist von großer Bedeutung: Wenn Chips in Zukunft mit Hilfe von Memristoren so effizient wie das Gehirn arbeiten, sinkt der Stromverbrauch massiv. Wenn es nicht gelingt, hier stromsparender zu arbeiten, würde die Menschheit laut aktuellen Hochrechnungen im Jahr 2040 theoretisch die gesamte weltweite Stromproduktion allein für Rechenzentren und KI benötigen.