Neuartige Materialien für Optisch Stimulierte Memristoren

Heutzutage haben unsere Computer unglaubliche Fähigkeiten, unsere Gesichter zu erkennen, unsere Stimmen zu verstehen und sogar unsere Bedürfnisse vorherzusagen. Das alles ist dank fortschrittlicher Algorithmen für maschinelles Lernen möglich. Diese Algorithmen wirken sich nicht nur auf unser persönliches Leben aus, sondern sind auch sehr wichtig für das Finanzwesen, die Industrie und das Gesundheitswesen, sowie andere Bereiche. Diese Fortschritte sind unglaublich, aber sie hängen von Computersystemen ab, die für ganz andere Anwendungen entwickelt wurden, z. B. Grafikprozessoren. Aus diesem Grund können ihre Leistung und Energieeffizienz sehr gering sein. Um die Situation zu verbessern, ist eine neue Art von Computer notwendig. Da viele Algorithmen für maschinelles Lernen vom Gehirn inspiriert sind, besteht eine interessante Idee darin, Computer zu entwickeln, vom Gehirn inspirierte Komponenten bereits auf der Hardware-Ebene zu entwickeln. Dieser Forschungsbereich wird "Neuromorphic Computing" benannt und erfordert ein grundlegendes Umdenken wie Computer funktionieren. Um dieses Ziel auf die energieeffizienteste Weise zu erreichen, sind neue Bauelemente für Computerchips notwendig, welche die Transistoren ergänzen: Memristoren. Diese Memristoren haben ähnliche Eigenschaften wie die Synapsen im Gehirn. Aufgrund ihres variablen elektrischen Widerstands können sie gleichzeitig Informationen speichern und Operationen durchführen, genau wie Synapsen. Außerdem sind bestimmte Memristoren sehr lichtempfindlich, was die Wirkung von Neuromodulatoren wie Dopamin im Gehirn nachahmen kann. Das macht sie als Bauelemente für neuromorphische Computer noch attraktiver. Die Memristor-Technologie ist noch sehr neu. WissenschaftlerInnen verstehen noch nicht genau, wie sie ihren elektrischen Widerstand verändern. Aus diesem Grund kennen die ForscherInnen nicht einmal die besten Materialien, um sie herzustellen. Der Designraum ist riesig, da verschiedene Materialien miteinander kombiniert werden können. Alle Kombinationen einzeln experimentell auszuprobieren, wäre sehr teuer und zeitaufwändig. Außerdem müssen diese neuen Computerbauelemente so konzipiert sein, dass sie lange Zeit zuverlässig funktionieren. In dieser Kooperation zwischen WissenschaftlerInnen der TU Wien und der ETH Zürich wird die Frage der Materialauswahl für gehirninspirierte Computer untersucht. Mit Hilfe modernster Supercomputer und der Erfahrung des Projektleiters am Christian Doppler Labor für HPTCAD werden neue Simulationstechniken entwickelt. Dann werden verschiedene Materialen für Memristoren theoretisch untersucht. Nur die besten Kandidaten werden an der ETH Zürich als Prototypen hergestellt und an der TU Wien elektrisch getestet. Mit diesem kombinierten Ansatz wird es möglich sein, die Simulationsmethoden zu validieren, die Physik von Memristoren besser zu verstehen und neue, vom Gehirn inspirierte Bauelemente mit besseren Eigenschaften zu entwickeln.