Im Forschungsprojekt neuroNODE, das am 1. Januar startet, entwickeln Forscher der Technischen Universität Ilmenau superschnelle Mikroelektronik-Komponenten, die dennoch extrem energiesparend sind – ein Gebot der Stunde, denn der Energiebedarf durch die weltweite Digitalisierung wächst rasant. Die supraleitenden Schaltungen sind von der menschlichen Biologie inspiriert, denn die ist extrem energieeffizient: Ähnlich den Spannungsimpulsen auf den menschlichen Nervenbahnen tauschen sie Informationen und Signale aus. Das neuroNODE-Projekt wird vom Thüringer Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds Plus mit 482.000 Euro für drei Jahre gefördert.
Alle benutzen das Internet: Wirtschaft und Industrie ebenso wie die Verwaltung und Privatpersonen. Durch den Gebrauch von Smartphones, Tablets und Laptops für milliardenfache Anfragen in Suchmaschinen, dann durch das Aufkommen von Streaming-Diensten ist der Energiebedarf in bislang unbekannte Größen angestiegen – im technischen Hintergrund bewältigt durch Rechenzentren von gewaltigem Ausmaß. Der Boom der Künstlichen Intelligenz hat den Energieverbrauch noch einmal explodieren lassen. Allein das Training des Chatbots ChatGPT 4 hat geschätzt 50 Millionen Kilowattstunden Energie verbraucht – damit könnte man über 10.000 Drei-Personen-Haushalte ein ganzes Jahr lang mit Strom versorgen. Aktuelle Zahlen aus den USA gehen davon aus, dass sich der Stromverbrauch für IT-Anwendungen seit den Anfängen der Künstlichen Intelligenz, also in den letzten acht Jahren, verdoppelt hat. Nach Schätzungen des Lawrence Berkeley National Laboratory wird bis 2028 mehr als die Hälfte des Stroms, den Rechenzentren verbrauchen, nur für KI eingesetzt.
Der schnelle Fortschritt der digitalen Revolution droht, an einem nicht mehr zu deckenden Energiebedarf zu scheitern. Daher suchen Forscherinnen und Forscher weltweit nach alternativen Technologien für die mikroelektronischen Schaltkreise: Sie müssen nicht nur etwas, sondern sehr viel energieeffizienter arbeiten als die bisher verwendeten Chips.
Forschungsprojekt neuroNODE für ultraschnelle, extrem energiesparende Mikroelektronik-Komponenten
Führende Thüringer Forschungsteams führen im Forschungsprojekt „Optoelektronisch-supraleitende Netzwerke für neuromorphes Computing (neuroNODE)“ unter der Leitung von Professor Hannes Töpfer, Leiter des Fachgebiets theoretische Elektrotechnik der TU Ilmenau, ihre Lösungsansätze zusammen. Ihr Ziel: ultraschnelle Mikroelektronik-Komponenten, die dennoch extrem geringe elektrische Verluste aufweisen, also sehr energiesparend sind. Damit aber ist es nicht getan. Es braucht auch innovative Wege, die Chips möglichst energiesparend zu Recheneinheiten zu verschalten, und sie an optische Module anzubinden – kurz: es braucht vollkommen neue optoelektronisch-supraleitende Netzwerke.
Das ist nicht einfach, weil völlig verschiedene Materialsysteme miteinander verträglich in einem System untergebracht werden müssen. So werden die Forscherinnen und Forscher um Professor Töpfer wegen der ihnen innewohnenden Quanteneffekte supraleitende Materialien einsetzen. Sie mit anderen Werkstoffsystemen so zusammenzubringen, dass sich die gewünschte Funktion einstellt, ist eine Herausforderung. Für das Forscherteam gilt es, alle einzelnen Bestandteile so zu optimieren, dass sie im Zusammenspiel stabil und verlässlich arbeiten.
Supraleitende Schaltungen – Energieeffizienz nach dem Vorbild der menschlichen Nervenbahnen
Der Weg, den das Forschungsteam beschreitet, ist inspiriert von der menschlichen Natur. Supraleitende Schaltungen nutzen verschiedene Quanteneffekte, mit denen sie Informationen und Signale in Form sehr kurzer Impulse austauschen – genau wie die Spannungsimpulse, die auf den menschlichen Nervenbahnen laufen. Bereits in den 1950er Jahren von dem großen Computerpionier John von Neumann als Vision vorweggenommen, haben die Thüringer Forscher nun die Technologien und das Knowhow, dieses Wissen auf mikroelektronische Schaltungen zu übertragen.
Der Grund, weswegen die Forscher sich von der Biologie inspirieren lassen, ist einfach: Die Natur ist in ihrer Energieeffizienz unübertroffen. Mit 20 Watt verbraucht das menschliche Gehirn für die Lösung komplexer Aufgaben nur einen Bruchteil der Energie, die ein Computer dafür benötigt. Das gelingt ihm durch eine besondere Eigenschaft: Die Signale werden durch kurze Pulse ausgetauscht, Energie wird also nicht ständig, sondern nur dann aufgewendet, wenn es etwas mitzuteilen oder zu steuern gibt. Genau so sollen die neuroNODE-Mikroelektronik-Komponenten funktionieren.
Projektleiter Professor Hannes Töpfer ist zuversichtlich, dass die Komponenten nicht nur sehr schnell, sondern auch extrem energieeffizient sein werden: „Wenn unsere Technologie erst einmal in Rechenzentren angewendet und dann nach und nach verbessert wird, schätze ich, dass wir für dieselbe Rechenleistung nur noch halb so viel Energie wie heute aufwenden müssen.”
neuroNODE – Mikroelektronik für Quantencomputer von morgen
Weltweit wird derzeit die Entwicklung einer völlig neuen Generation extrem leistungsstarker Computer unter Hochdruck vorangetrieben: Quantencomputer. Wenn sie erst einmal so weit sind zu funktionieren, werden genau solche Bausteine, wie sie im Ilmenauer neuroNODE-Projekt erforscht werden, benötigt, um die Vielzahl der Komponenten störungsfrei miteinander zu verschalten. „Gibt es sie nicht“, so Professor Töpfer, „wird sich die erforderliche Anzahl an Quantenbits gar nicht beherrschen lassen. Sie sind mithin für Quantencomputer von existenzieller Bedeutung. Insofern startet unser Projekt gerade zur rechten Zeit.“ Technologieplaner in den USA gehen davon aus, dass der Einsatz von optisch-supraleitenden Elektronikmodulen ab etwa 2035 alternativlos sein wird.
Alle benutzen das Internet: Wirtschaft und Industrie ebenso wie die Verwaltung und Privatpersonen. Durch den Gebrauch von Smartphones, Tablets und Laptops für milliardenfache Anfragen in Suchmaschinen, dann durch das Aufkommen von Streaming-Diensten ist der Energiebedarf in bislang unbekannte Größen angestiegen – im technischen Hintergrund bewältigt durch Rechenzentren von gewaltigem Ausmaß. Der Boom der Künstlichen Intelligenz hat den Energieverbrauch noch einmal explodieren lassen. Allein das Training des Chatbots ChatGPT 4 hat geschätzt 50 Millionen Kilowattstunden Energie verbraucht – damit könnte man über 10.000 Drei-Personen-Haushalte ein ganzes Jahr lang mit Strom versorgen. Aktuelle Zahlen aus den USA gehen davon aus, dass sich der Stromverbrauch für IT-Anwendungen seit den Anfängen der Künstlichen Intelligenz, also in den letzten acht Jahren, verdoppelt hat. Nach Schätzungen des Lawrence Berkeley National Laboratory wird bis 2028 mehr als die Hälfte des Stroms, den Rechenzentren verbrauchen, nur für KI eingesetzt.
Der schnelle Fortschritt der digitalen Revolution droht, an einem nicht mehr zu deckenden Energiebedarf zu scheitern. Daher suchen Forscherinnen und Forscher weltweit nach alternativen Technologien für die mikroelektronischen Schaltkreise: Sie müssen nicht nur etwas, sondern sehr viel energieeffizienter arbeiten als die bisher verwendeten Chips.
Forschungsprojekt neuroNODE für ultraschnelle, extrem energiesparende Mikroelektronik-Komponenten
Führende Thüringer Forschungsteams führen im Forschungsprojekt „Optoelektronisch-supraleitende Netzwerke für neuromorphes Computing (neuroNODE)“ unter der Leitung von Professor Hannes Töpfer, Leiter des Fachgebiets theoretische Elektrotechnik der TU Ilmenau, ihre Lösungsansätze zusammen. Ihr Ziel: ultraschnelle Mikroelektronik-Komponenten, die dennoch extrem geringe elektrische Verluste aufweisen, also sehr energiesparend sind. Damit aber ist es nicht getan. Es braucht auch innovative Wege, die Chips möglichst energiesparend zu Recheneinheiten zu verschalten, und sie an optische Module anzubinden – kurz: es braucht vollkommen neue optoelektronisch-supraleitende Netzwerke.
Das ist nicht einfach, weil völlig verschiedene Materialsysteme miteinander verträglich in einem System untergebracht werden müssen. So werden die Forscherinnen und Forscher um Professor Töpfer wegen der ihnen innewohnenden Quanteneffekte supraleitende Materialien einsetzen. Sie mit anderen Werkstoffsystemen so zusammenzubringen, dass sich die gewünschte Funktion einstellt, ist eine Herausforderung. Für das Forscherteam gilt es, alle einzelnen Bestandteile so zu optimieren, dass sie im Zusammenspiel stabil und verlässlich arbeiten.
Supraleitende Schaltungen – Energieeffizienz nach dem Vorbild der menschlichen Nervenbahnen
Der Weg, den das Forschungsteam beschreitet, ist inspiriert von der menschlichen Natur. Supraleitende Schaltungen nutzen verschiedene Quanteneffekte, mit denen sie Informationen und Signale in Form sehr kurzer Impulse austauschen – genau wie die Spannungsimpulse, die auf den menschlichen Nervenbahnen laufen. Bereits in den 1950er Jahren von dem großen Computerpionier John von Neumann als Vision vorweggenommen, haben die Thüringer Forscher nun die Technologien und das Knowhow, dieses Wissen auf mikroelektronische Schaltungen zu übertragen.
Der Grund, weswegen die Forscher sich von der Biologie inspirieren lassen, ist einfach: Die Natur ist in ihrer Energieeffizienz unübertroffen. Mit 20 Watt verbraucht das menschliche Gehirn für die Lösung komplexer Aufgaben nur einen Bruchteil der Energie, die ein Computer dafür benötigt. Das gelingt ihm durch eine besondere Eigenschaft: Die Signale werden durch kurze Pulse ausgetauscht, Energie wird also nicht ständig, sondern nur dann aufgewendet, wenn es etwas mitzuteilen oder zu steuern gibt. Genau so sollen die neuroNODE-Mikroelektronik-Komponenten funktionieren.
Projektleiter Professor Hannes Töpfer ist zuversichtlich, dass die Komponenten nicht nur sehr schnell, sondern auch extrem energieeffizient sein werden: „Wenn unsere Technologie erst einmal in Rechenzentren angewendet und dann nach und nach verbessert wird, schätze ich, dass wir für dieselbe Rechenleistung nur noch halb so viel Energie wie heute aufwenden müssen.”
neuroNODE – Mikroelektronik für Quantencomputer von morgen
Weltweit wird derzeit die Entwicklung einer völlig neuen Generation extrem leistungsstarker Computer unter Hochdruck vorangetrieben: Quantencomputer. Wenn sie erst einmal so weit sind zu funktionieren, werden genau solche Bausteine, wie sie im Ilmenauer neuroNODE-Projekt erforscht werden, benötigt, um die Vielzahl der Komponenten störungsfrei miteinander zu verschalten. „Gibt es sie nicht“, so Professor Töpfer, „wird sich die erforderliche Anzahl an Quantenbits gar nicht beherrschen lassen. Sie sind mithin für Quantencomputer von existenzieller Bedeutung. Insofern startet unser Projekt gerade zur rechten Zeit.“ Technologieplaner in den USA gehen davon aus, dass der Einsatz von optisch-supraleitenden Elektronikmodulen ab etwa 2035 alternativlos sein wird.
