Im Rahmen des Projektes „Bio-inspired circuits with energy-efficient superconducting microelectronics“, welches in die Ilmenauer School of Green Electronics eingebettet ist, sollen in Zusammenarbeit mit Kollegen der Fakultät Informatik und Automatisierung/Fachgebiet Verteilte Systeme und Betriebssysteme Prof. Dr. Boris Koldehofe, Dr. Peter Amthor neue Wege für eine an extrem energieeffiziente supraleitende mikroelektronische Komponenten bestmöglich angepasste Computerarchitektur erforscht werden.
Motiviert sind die Forschungsarbeiten dadurch, dass moderne IT-Anwendungen sich durch einen drastischen Anstieg des Energieverbrauchs auszeichnen, insbesondere durch das schnelle Vordringen von Mobile & Cloud Computing, Big Data Processing, Smart Cities/Smart Infrastructure, High-Performance Computing oder dem Internet der Dinge in die Gesellschaft. Da die Skalierung der Transistoren in naher Zukunft zu einem gewissen Ende kommen wird, wird eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Energie für Rechenoperationen darin gesehen, die ineffizienten, von-Neumann-basierten Hardware-Architekturen, die auf digital kodierten Signalen über Spannungspegel basieren, aufzugeben. Mit einem bio-inspirierten Design können neuromorphe, Spike-kodierte Schaltkreise dieses Problem überwinden, indem sie analoge Werte repräsentieren und deren äußerst effiziente Kodierung bei den heutigen energiekritischen Berechnungsproblemen ermöglichen. Insbesondere die supraleitende Mikroelektronik gilt als vielversprechende Option, da die Signale als Spannungsimpulse von nichtlinearen Oszillatoren erzeugt werden. Die Signalausbreitung in den Schaltkreisen ähnelt den bekannten Vorgängen an biologischen Nerven. Daher bilden sie die Grundlage für ein echtes und generisches bio-inspiriertes Konzept. Darüber hinaus ist es die einzige bekannte Festkörpertechnologie, die sowohl hohe Geschwindigkeit als auch Energieeffizienz mit einem Energiebedarf von ≈ 10-19 Joule pro Bitoperation ermöglicht.
Es gibt jedoch kein optimales architektonisches Design und kein entsprechendes Berechnungsmodell für die Verwendung dieser Schaltungen.
Das Forschungsziel ist die Umsetzung neuromorpher Prinzipien auf Schaltungsebene mit supraleitender Mikroelektronik, insbesondere durch die Manipulation einzelner magnetischer Flussquanten als Informationsträger. Es sollen integrierte Schaltkreise entwickelt und für relevante Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine überlegene Energieeffizienz nachgewiesen werden kann.
Dieses Projekt ist stark computerwissenschaftlich orientiert und schließt eine dringend benötigte Forschungslücke bei der Entwicklung, Demonstration und Bewertung von Spike-kodierten dendritischen Schaltungen und der Anwendung ihrer physikalischen Eigenschaften auf eine Computerarchitektur und ein entsprechendes Berechnungsmodell für reale Anwendungsfälle.
Der Start dieser Forschungsaktivitäten erfolgte am 01.02.2025.
Link zur Webseite
Kontakt: Prof. Hannes Töpfer
Zurück
