Schaltelemente aus Nanodrähten ähnlich wie Nervenzellen

Jülicher Forscher bauen künstliche Synapsen

| Autor / Redakteur: Dr. Dietmar Müller / Dietmar Müller

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines einzelnen Nanodraht-Memristors.
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines einzelnen Nanodraht-Memristors. (Bild: Forschungszentrum Jülich)

In Sachen künstlicher Intelligenz (KI) ist durchaus noch einiges an Grundlagenforschung vonnöten. Nun ist Wissenschaftlern vom Forschungszentrum Jülich ein entscheidender Schritt hin zur denkenden Maschine gelungen: Zusammen mit Kollegen aus Aachen und Turin haben sie ein Schaltelement aus Nanodrähten hergestellt, das ähnlich einer biologischen Nervenzelle funktioniert.

Die Grundüberlegung: Wenn Computer denken sollen wie Menschen, dann müssen sie auch ähnliche Schaltkreise verpasst bekommen. Die gescheiteste Software wird an den einfachsten Aufgaben scheitern, wenn die Hardware für die Prozessverarbeitung nicht ausreichend gerüstet ist: In (biologischen) neuronalen Netzen werden Daten hochgradig parallel gespeichert und verarbeitet.

Klassische Computer dagegen arbeiten Aufgaben hintereinander ab und trennen klar zwischen der Speicherung und Verarbeitung von Informationen. Systeme mit neuromorphen Chips, die die Arbeitsweise von Synapsen und Neuronen im menschlichen Gehirn imitieren, versprechen hier deutliche Vorteile.

Neuromorphe Chips imitieren Nervenzellen

Das Jülicher Bau-Element kann nämlich sowohl Informationen speichern als auch verarbeiten – und mehrere Signale parallel empfangen. Diese „memristive Zelle“ aus Oxidkristall-Nanodrähten erweist sich damit als aussichtsreicher Kandidat für den Bau eines bioinspirierten „neuromorphen“ Prozessors, der die vielfältigen Funktionen biologischer Synapsen und Neuronen übernehmen kann.

Ein bioinspirierter Rechner arbeitet nach den Vorstellungen von Experten dezentral und verfügt über eine Vielzahl von Prozessoren, die – wie Neuronen im Gehirn – netzartig miteinander verbunden sind. Fällt ein Prozessor aus, kann ein anderer seine Funktion übernehmen. Und ähnlich wie im Gehirn, wo Training zu verbesserter Signalweiterleitung führt, soll auch ein bioinspirierter Prozessor lernen können.

„Mit der heutigen Halbleiter-Technologie lassen sich diese Funktionen teilweise auch schon realisieren. Diese Systeme eignen sich aber nur für spezielle Anwendungszwecke und benötigen viel Platz und Energie“, erläutert Ilia Valov vom Forschungszentrum Jülich. „Unsere Bauelemente mit Nanodrähten aus Zinkoxid-Kristall können Informationen dagegen von Haus aus verarbeiten und auch speichern, und sind äußerst klein und Energie-effizient“, so der Forscher vom Jülicher Peter Grünberg Institut.

Memristive Zellen versus herkömmliche Transistoren

Memristiven Zellen werden schon seit Jahren die besten Chancen zugeschrieben, in einem bioinspirierten Rechner die Funktion der Neuronen und Synapsen zu übernehmen. Sie ändern ihren elektrischen Widerstand abhängig von der Stärke und Richtung des elektrischen Stroms, der durch sie fließt. Anders als in einem herkömmlichen Transistor bleibt der letzte Widerstandswert auch dann noch erhalten, wenn der Strom abgeschaltet wird. Wegen dieser Einstellbarkeit des Widerstandswerts sind Memristoren grundlegend lernfähig.

Um diese Eigenschaften zu erzeugen, nutzten die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen einen einzelnen Zinkoxid-Nanodraht, der von Turiner Experten hergestellt worden war. Mit etwa einem zehntausendstel Millimeter ist ein solcher Nanodraht über tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Das resultierende memristive Bauteil ist nicht nur sehr klein, es schaltet auch schneller als ein Halbleiter.

Nanodrähte versprechen ganz neue physikalische Eigenschaften im Vergleich zu anderen Festkörpern und werden unter anderem für die Entwicklung neuartiger Solarzellen, Sensoren, Batterien und Computerchips eingesetzt. Ihre Herstellung ist dabei vergleichsweise einfach. Nanodrähte entstehen durch Aufdampfen des gewünschten Materials auf ein geeignetes Substrat und wachsen damit praktisch wie von selbst.

Praxistauglichkeit noch nicht gegeben

Um eine funktionsfähige Zelle zu schaffen, müssen beide Enden des Nanodrahts mit geeigneten Metallen verbunden werden, in diesem Fall Platin und Silber. Die Metalle fungieren als Elektroden. Zudem setzen sie, ausgelöst durch einen geeigneten Stromfluss, Ionen frei. Die Metallionen können sich über die Oberfläche des Drahtes ausbreiten und eine Brücke bilden, was die Leitfähigkeit verändert.

Für den praktischen Einsatz sind die Bauelemente aus einzelnen Nanodrähten allerdings noch zu empfindlich. Ein elektrischer Strom kann sie leicht zerstören. Als nächsten Schritt planen die Jülicher Forscher daher die Herstellung und Untersuchung eines robusteren memristiven Elements, das aus einer relativ leicht herstellbaren größeren Gruppe aus mehreren Hundert Drähten besteht.

Erstmals haben die Jülicher Forscher ihre Arbeit zu den memristiven Zellen aus Oxidkristall-Nanodrähten auf nature.com veröffentlicht.

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