Forschungslabor Mikroelektronik (ForLab NSME)

Wachsender Datendurchsatz im Internet, Cloud-Computing, Nutzung von Smartphones sowie die Möglichkeit und das Erfordernis der Durchführung sehr komplexer Berechnungsvorgänge auf Großrechnern sind Attribute der gegenwärtigen Informationsgesellschaft geworden. Gleichwohl gehen mit der Verarbeitung, Vorhaltung und Bereitstellung von Informationen auch extreme Anforderungen an die benötigte Energie, den Speicherplatz und der Datensicherheit einher.

Im Mittelpunkt des Forschungslabors steht die Übertragung neurobiologischer Informationsverarbeitungsprinzipien und Informationsspeicherung in supraleitende memristive Systeme mit dem Ziel, energetisch hocheffiziente mikroelektronische Schaltungen für selbstadaptierende (neuromorphe) Systeme mit Parallelarchitektur zu realisieren. Technologisch geht es darum, supraleitende Mikroelektronik und neuromorphe Memristor-Elektronik zu verknüpfen. Durch diesen Ansatz sollen die Grenzen heutiger mikroelektronischer Systemkonzepte in Bezug auf Signalverarbeitungsgeschwindigkeit und Energieeffizienz rigoros verschoben werden. Zur Lösung dieser Fragestellungen sollen neuartig Materialsysteme, Bauelemente und Rechenarchitekturen entwickelt werden. Methodisch basiert das Vorhaben auf der physikalischen Untersuchung und Beschreibung quantenmechanischer Effekte, um diese für elektronische Bauelemente nutzbar zu machen, der Prozess- und Technologieentwicklung zur hardwaretechnischen Realisierung derartiger Bauelemente auf Waferebene mittels Dünnschichttechnologien und der Entwicklung schaltungstechnischer Entwurfskonzepte (Systemdesign).

An der TU Ilmenau werden neuromorphe elektronische Systeme entwickelt, also mikroelektronische Bauelemente und Schaltungen auf der Basis neurobiologischer Gesetzmäßigkeiten. Die Mikroelektronik, die mit biologisch inspirierten Signalverarbeitungs- und Speichermechanismen funktioniert, ist gleichzeitig besonders leistungsstark und extrem energieeffizient. Dafür verknüpfen Wissenschaftler aus fünf Fachgebieten unter der Leitung von Prof. Martin Ziegler, Leiter des Fachgebiets Mikro- und nanoelektronische Systeme, sogenannte Memristoren mit supraleitenden und neuromorphen Schaltungen. Der Begriff Memristor – zusammengesetzt aus den englischen Wörtern Memory für Gedächtnis und Resistor für Widerstand – beschreibt elektronische Bauelemente, die in der Lage sind, Informationen durch veränderbare Widerstandszustände zu speichern. Den Gedächtniseffekt, der dem von Synapsen, also der Kontaktstellen von Nervenzellen im Gehirn, ähnelt, erhalten die elektronischen Komponenten von der atomaren Struktur der Werkstoffe, aus denen sie hergestellt sind.

Leistungsstarke, energieeffiziente Elektronik, wie es das ForLab NSME erforscht, ist ein Gebot der Stunde. Die digitale Revolution hat weltweit zu einer rasanten Steigerung des Energiebedarfs geführt. Schon heute verbraucht die Hardware, die rund um den Globus in IT-Anwendungen eingesetzt wird, ein Viertel der gesamten weltweit produzierten elektrischen Energie – Tendenz stark steigend: Wissenschaftliche Hochrechnungen prognostizieren, dass in nicht einmal 15 Jahren die gesamte weltweite Produktion an elektrischer Energie nicht mehr ausreichen wird, um den Leistungsbedarf der IT-Hardware zu decken.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert auf Basis der Förderrichtlinie „Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland (ForLab)“ Investitionen an Hochschulen mit leistungsfähigem Schwerpunkt in der Mikroelektronik.

Für das Ziel, energetisch hocheffiziente mikroelektronische Schaltungen für selbstadaptierende Systeme mit Parallelarchitektur zu entwickeln wird das "Forschungslabor Mikroelektronik Ilmenau für neuromorphe Elektronik" technologisch weiter ausgebaut.