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Schaltkreis-Grundlagenforschung an der Harvard University Synapsen-Transistor arbeitet so sparsam wie das Gehirn

Autor / Redakteur: Peter Koller / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Mit einem Transistor, der nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie Synapsen, glauben Wissenschaftler der Harvard University die Leistungsfähigkeit und vor allem auch die Energieeffizienz des menschlichen Gehirns nachbilden zu können.

Das Bild zeigt mehrere der Synapsen-Transistoren auf einem Silizium-Substrat
Das Bild zeigt mehrere der Synapsen-Transistoren auf einem Silizium-Substrat
(Bild: Eliza Grinnell, SEAS Communications)

Das menschliche Gehirn ist ein wahres Wunderwerk: Trotz seiner enormen Leistungsfähigkeit begnügt es sich mit einem unglaublich geringen Energieverbrauch von gerade einmal 20 Watt. Eine Grundlage dafür sind etwa 100 Billionen von Synapsen, jene "Netzwerkkabel", die die Nervenzellen verbinden. Materialwissenschaftler der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) glauben nun eine Möglichkeit gefunden zu haben, solche Synapsen elektronisch nachbilden zu können.

Das besondere an Synapsen ist, dass sie Information nicht nur übertragen, sondern auch modulieren und speichern und sich dabei physikalisch an Veränderungen – zum Beispiel besonders starken "Datenverkehr" zwischen zwei Neuronen – anpassen. Bisher wurde versucht, dieses Verhalten mit Hilfe von Software-Algorithmen nachzubilden.

Einen ganz anderen Weg gingen die SEAS-Forscher. Sie nutzten dazu eine relativ neue Materialklasse, mit der sich das Synapsen-Verhalten in Hardware simulieren lässt. Sie trägt den Namen Stark korrelierte Elektronensysteme. Dazu gehört Nickel-Samarium. Bei dem Synapsen-transistor wird ein 80 Nanometer dünnes Kristallgerüst des Materials zwischen zwei Platin-Elektroden gepackt, in der Nähe befindet sich ein Reservoir einer ionisierten Flüssigkeit. Beim Anlegen bereits einer sehr geringen Spannung entsteht ein Feld, das Ionen in das Nickel-Samarium-Gitter hinein- oder heraus befördert und so die Leitfähigkeit ändert.

Harvard-Professor Shriram Ramanathan, Chef der Forschergruppe: "Das Material ist extrem sensibel. Bereits eine sehr geringe Anregung erzielt ein starkes Signal." Er hofft, auf Basis dieser Eigenschaften, Prozessoren mit einer deutlich höheren Energieefifizienz als Silizium-basierte Systeme schaffen zu können. Ihre Ergebnisse haben Ramanathan und seine Kollegen in einem Artikel für Nature Communications veröffentlicht.

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