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KI-Hardware Forschende entwickeln lernende Oxid-Bauelemente

Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 2 min Lesedauer

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Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Maxim Integrated Products
Schneider Electric GmbH

Die Trennung von Rechen- und Speichereinheiten ist der Flaschenhals moderner KI-Systeme. Physiker der Universität Würzburg präsentieren nun eine Lösung aus der Quantenforschung: Multifunktionale Bauelemente, die die Neuroplastizität des Gehirns auf den Chip bringen.

Elektronik, die lernt: Eine neue Technik nach Vorbild des Gehirns haben Würzburger Forscher entwickelt.(Bild: / Pixabay)
Elektronik, die lernt: Eine neue Technik nach Vorbild des Gehirns haben Würzburger Forscher entwickelt.
(Bild: / Pixabay)

Klassische Computerarchitekturen benötigen enorme Energiemengen, um Daten zwischen Prozessor und Speicher zu bewegen. Das menschliche Gehirn hingegen verarbeitet Informationen hocheffizient direkt an den synaptischen Verbindungen. Forscher des Exzellenzclusters ctd.qmat haben nun eine Materialplattform auf Basis komplexer Oxide entwickelt, die diese biologischen Mechanismen elektronisch nachbildet.

Grenzflächen mit „Gedächtnis“

Die Grundlage bilden die Oxidmaterialien Lanthanaluminat (LAO) und Strontiumtitanat (STO). Obwohl beide Isolatoren sind, entsteht an ihrer Grenzfläche ein quasi-zweidimensionales Elektronengas. Durch gezielte Mikrostrukturierung schufen die Physiker leitfähige Pfade, deren Widerstand sich durch das Herauslösen von Sauerstoffatomen präzise steuern lässt. Dieser Effekt ermöglicht es dem System, frühere Aktivitäten zu speichern und sein Verhalten anzupassen – ein Prinzip, das als Neuroplastizität bekannt ist.

Drei Funktionen in einem Bauelement

Die Vielseitigkeit der Oxid-Plattform nutzte das Würzburger Team, um Bauelemente zu entwickeln, die zentrale Funktionen von Neuronen und Synapsen nachbilden können. Ein einzelnes nanoskaliges Bauelement kann je nach Verschaltung drei verschiedene Funktionen übernehmen:

  • Transistor zum Schalten von Strömen
  • Memristor als widerstandsbasierter Speicherbaustein
  • Memcapacitor, dessen Kapazität von der elektrischen Vorgeschichte abhängt
Wir kommen damit einer Hardware näher, die nicht nur rechnet, sondern Informationen direkt im Bauelement verarbeiten und speichern kann.

Soumen Pradhan, Erstautor der in Nature Communications veröffentlichten Studie

Edge-KI und Biosensorik

Die potenziellen Anwendungen reichen von energieeffizienter KI-Hardware bis hin zur intelligenten Biosensorik. Da die Auswertung direkt am Entstehungsort der Daten erfolgen kann, könnten künftige Wearables Herzfrequenz oder Blutzucker ohne externe Recheneinheiten in Echtzeit analysieren.Ralph Claessen, Sprecher des Exzellenzclusters ctd.qmat, sieht in den komplexen Oxiden eine wegweisende Plattform: „Sie vereinen viele elektronische Eigenschaften in einem Materialsystem und sind damit ideal für eine neue Generation anpassungsfähiger Computerhardware.“

Originalpublikation:Oxide Interface-Based Polymorphic Electronic Devices for Neuromorphic Computing; Pradhan, S., Miller, K., Hartmann, F. et al., Nat Commun 17, 3406 (2026), https://doi.org/10.1038/s41467-026-71642-2

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