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Neuromorphe Computer Roboter lernen mit Neurotransistoren ohne Softwareentwicklung

Redakteur: Katharina Juschkat

Erstmals ist es Forschern gelungen, Neurotransistoren zu entwickeln. Das ermöglicht die Entwicklung von intelligenteren Robotern, die Zusammenhänge erkennen und lernen - und das, ohne Software entwickeln zu müssen.

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Erstmals gelang es Forschern, einen Neurotransistor nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns zu entwickeln.
Erstmals gelang es Forschern, einen Neurotransistor nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns zu entwickeln.
(Bild: TU Dresden / E. Baek)

Wissenschaftler der TU Dresden und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben erstmals einen Neurotransistor entwickelt, indem sie die Funktionsweise von Neuronen des Gehirns mit Halbleitermaterialien nachahmen konnten. Diese leistungsfähigen Computerchips werden benötigt, um Aufgaben aus dem Bereich Künstliche Intelligenz (KI) weiterzuentwickeln und zu verbessern.

Bisher setzt man auf die stete Verkleinerung der Mikroelektronik, um ihre Leistung zu erhöhen. Doch diese Vorgehensweise ist endlich. Die Forschergruppe um die Wissenschaftler Larysa Baraban und Gianaurelio Cuniberti orientiert sich deshalb am Gehirn und verbindet Datenverarbeitung mit Datenspeicherung in einem künstlichen Neuron. Ihre Forschungsergebnisse haben sie im Fachmagazin Nature Electronics veröffentlicht.

Wie der Neurotransistor entsteht

Um den Neurotransistor zu entwickeln, haben die Forscher eine zähflüssige Substanz – Solgel genannt – auf einen herkömmlichen Siliziumwafer mit den Schaltungen aufgebracht. Dieses Polymer härtet aus und wird zu einer porösen Keramik. Zwischen den Löchern bewegen sich Ionen. Sie sind schwerer als Elektronen und springen nach einer Anregung langsamer auf ihre Position zurück.

Diese Verzögerung, Hysterese genannt, ist für den Speichereffekt verantwortlich. Das hat entscheidenden Einfluss auf die Funktionsweise, erläutert der Materialwissenschaftler Cuniberti: „Je stärker der einzelne Transistor angeregt wird, umso eher öffnet er und lässt den Strom fließen. Damit verstärkt sich die entsprechende Verbindung. Das System lernt.“

Neurotransistoren nichts für den Einsatz im Heimcomputer

Die Neurotransistoren sind nicht zum Einsatz in herkömmlichen Computern vorgesehen. Computer auf Basis der neuen Chips wären weniger präzise und würden mathematische Berechnungen eher schätzen als bis in die letzte Nachkommastelle zu berechnen.

Worin die Vorteile von Computern mit Neurotransistoren liegen, erklärt der Wissenschaftler Cuniberti: „Sie wären intelligenter. Ein Roboter mit solchen Prozessoren würde damit beispielsweise laufen oder greifen lernen, ein optisches System besitzen und lernen, Zusammenhänge zu erkennen. Und das alles, ohne Software entwickeln zu müssen.“

Und da solche sogenannten neuromorphen Computer in ihrer Plastizität dem menschlichen Gehirn ähneln, könnten sie sich, ähnlich wie unser Gehirn, im laufenden Betrieb an veränderte Aufgabenstellungen anpassen und auch solche Probleme lösen, für die sie ursprünglich nicht programmiert wurden.

Hintergrund: Computer nach dem Vorbild des Gehirns

Die Idee, Computer nach dem Vorbild des Gehirns zu entwerfen, ist nicht neu. Bereits vor Jahrzehnten gab es Versuche, Nervenzellen in der Petrischale mit Elektronik zu verbinden. „Aber niemand braucht einen nassen Computerchip, der regelmäßig gefüttert werden muss“, fasst Wissenschaftler Cuniberti die Ergebnisse zusammen. Der Professor für Materialwissenschaft und Nanotechnik ist zusammen mit dem Dresdner Professor für Grundlagen der Elektrotechnik, Ronald Tetzlaff, und Leon Chua von der University of California in Berkeley, der bereits Anfang der 1970er Jahre ähnliche Bauelemente postuliert hatte, einer der drei geistigen Väter des Neurotransistors.

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