Neue Materialien für ICs Effizienz in der Datenverarbeitung mit Materialien, die sich wie Axone verhalten

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Die Nachahmung natürlicher Prozesse (biomimetische Materialien) hat bereits zu bahnbrechenden Entwicklungen geführt; von der Supraleitung bis zu selbstheilenden Materialien. Forscher entdeckten Materialien, die sich wie Axone verhalten und elektrische Impulse verstärken.

Biomimetische Materialien, die Prozesse aus der Natur nachahmen, haben der Menschheit bereits zu einigen technologischen Entwicklungen geführt, die zuvor eher schwierig, wenn nicht gar unmöglich umsetzbar erschienen. Ein Team von Forschern der Texas A&M University, des Sandia National Lab und der Stanford University hat sich auf der Suche nach Materialien für eine effizientere Datenverarbeitung vom Gehirn inspirieren lassen.

Dabei stieß es auf ein Material, das das Verhalten eines Axons nachahmt. Das geschieht, indem die Materialklasse ein elektrisches Signal spontan weiterleitet, während es sich entlang einer Übertragungsleitung bewegt. Axone, zur Erklärung, sind die langen Fortsätze der Nervenzellen, die elektrische Signale über große Entfernungen im Körper übertragen. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Nervenzellen und sind daher entscheidend für motorische und sensorische Funktionen.

Wenn diese entwickelten Materialien in der Lage sind, elektrische Impulse tatsächlich spontan zu verstärken und das auf eine Art und Weise, die effizient, skalierbar und kostengünstig ist, dann könnte das einen echten technologischen Fortschritt darstellen. Insbesondere in Bereichen wie Quantencomputing, Hochgeschwindigkeitskommunikation oder sogar neuronalen Netzen könnte das ein ganz neues Paradigma eröffnen. Wenn die Entdeckung allerdings noch mit praktischen Herausforderungen verbunden ist, wie Stabilität unter verschiedenen Bedingungen, dann wird es dennoch spannend sein, die Entwicklungen weiterzuverfolgen.

Signalverlust, ade?

Jedes elektrische Signal, das sich in einem metallischen Leiter ausbreitet, verliert aufgrund des natürlichen Widerstands des Metalls an Stärke. Moderne Computerprozessoren und Grafikprozessoren können etwa 48 km feiner Kupferdrähte enthalten, die elektrische Signale innerhalb des Chips weiterleiten. Diese Verluste summieren sich schnell und erfordern Verstärker, um die Impulsintegrität aufrechtzuerhalten. Diese Designbeschränkungen wirken sich auf die Leistung der aktuellen Chips mit hoher Verbindungsdichte aus.

Um dieser Einschränkung entgegenzuwirken, ließ sich das Forscherteam von Axonen inspirieren. „Oft wollen wir ein Datensignal von einem Ort zu einem anderen, weiter entfernten Ort übertragen“, sagt Hauptautor Dr. Tim Brown, Post-Doktorand am Sandia National Lab und ehemaliger Doktorand in Materialwissenschaften und Technik an der Texas A&M. Die Studie zu dem Material wurde übrigens in Nature veröffentlicht.

„Wir müssen unter anderem einen elektrischen Impuls vom Rand eines CPU-Chips zu den Transistoren in der Nähe seines Zentrums übertragen. Selbst bei den am besten leitenden Metallen führt der Widerstand bei Raumtemperatur dazu, dass die übertragenen Signale verstreut werden und verloren gehen, sodass wir normalerweise in die Übertragungsleitung eindringen und das Signal verstärken müssen, was Energie, Zeit und Platz kostet. Die Biologie macht es anders: Einige Signale im Gehirn werden über kurze Distanzen übertragen, und zwar durch Axone aus widerstandsfähiger organischer Materie. Und ohne dass die Signale jemals unterbrochen und verstärkt werden.“

Laut Dr. Patrick Shamberger, Professor an der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der Texas A&M, sind Axone die Kommunikationsautobahnen. Sie übermitteln Signale von einem Neuron zu einem benachbarten Neuron. Während die Neuronen für die Verarbeitung von Signalen zuständig sind, sind die Axone wie Glasfaserkabel, die Signale übertragen.

Spontane Verstärkung

Wie die Axone im Gehirn befinden sich auch die entdeckten Materialien in einem vorbereiteten Zustand, der es ihnen ermöglicht, einen Spannungsimpuls spontan zu verstärken, während er das Axon hinunterläuft. Die Forscher machten sich einen elektronischen Phasenübergang in Lanthan-Kobalt-Oxid zunutze, der dazu führt, dass das Material bei Erwärmung elektrisch wesentlich leitfähiger wird. Diese Eigenschaft steht in Wechselwirkung mit den geringen Wärmemengen, die beim Durchgang eines Signals durch das Material entstehen, was zu einer positiven Rückkopplungsschleife führt.

Das Ergebnis ist eine Reihe exotischer Verhaltensweisen, die bei gewöhnlichen passiven elektrischen Komponenten – Widerstände, Kondensatoren, Induktoren – nicht zu beobachten sind. Darunter fallen die Verstärkung kleiner Störungen, negative elektrische Widerstände und ungewöhnlich große Phasenverschiebungen bei Wechselstromsignalen. Laut Shamberger sind diese Materialien einzigartig, weil sie sich in einem halbstabilen „Goldilocks“-Zustand befinden; also in einem gerade richtigen Zustand, der aber anfällig für Störungen ist. In diesem Fall klingen elektrische Impulse weder ab noch kommt es zu einem thermischen Durchgehen und Zusammenbruch.

Stattdessen schwingt das Material auf natürliche Weise, wenn es unter konstanten Strombedingungen gehalten wird. Die Forscher fanden heraus, dass sie sich dieses Verhalten zunutze machen können, um ein Spiking-Verhalten zu erzeugen und ein Signal zu verstärken, das über eine Übertragungsleitung übertragen wird. „Wir machen uns im Wesentlichen interne Instabilitäten im Material zunutze, die einen elektronischen Impuls weiter verstärken, während er die Übertragungsleitung durchläuft. Dieses Verhalten wurde zwar von unserem Co-Autor Dr. Stan Williams theoretisch vorhergesagt, aber dies ist die erste Bestätigung seiner Existenz.“

Erkenntnisse mit Zukunftspotenzial

Diese Erkenntnisse könnten für die energiehungrige Zukunft der Datenverarbeitung von entscheidender Bedeutung sein. Man geht davon aus, dass Rechenzentren bis 2030 acht Prozent des Stroms in den Vereinigten Staaten verbrauchen werden. Und künstliche Intelligenz könnte diesen Bedarf drastisch erhöhen.

Langfristig gesehen ist die Entdeckung der neuen Materialien ein Schritt zum Verständnis dynamischer Materialien und zur Nutzung biologischer Inspirationen, um eine effizientere Datenverarbeitung zu fördern. „Die Idee für eine aktive Übertragungsleitung am Rande des Chaos hatte ich bereits vor zwölf Jahren“, so Dr. Stan Williams, Mitautor der Studie, Direktor von REMIND (Reconfigurable Electronic Materials Inspired by nonlinear Neuron Dynamics) und Professor am Fachbereich für Elektro- und Computertechnik der Texas A&M. „Um sie in die experimentelle Realität umzusetzen, waren die Ressourcen, das Fachwissen und die Teamarbeit von REMIND erforderlich.“

Das im Jahr 2022 gegründete REMIND EFRC (EFRC – Energy Frontier Research Center) zielt auf die Entwicklung grundlegender wissenschaftlicher Erkenntnisse ab, die die Funktion massiv rekonfigurierbarer Computerarchitekturen untermauern. Echtzeitlernen und eingebettete Intelligenz sollen in diesen Architekturen die spezifische neuronale und synaptische Funktionen des menschlichen Gehirns nachbilden.

Zu den weiteren Mitgliedern des EFRC gehören Jenny Chong, Masterstudentin am Department of Materials Science and Engineering der Texas A&M, die an der Entwicklung einer Simulation zum Verständnis des Phänomens mitwirkte und Übertragungsleitungen entwarf, die Signale besser verstärken. Zudem gehören die Forscher Dr. Suhas Kumar, Dr. Elliot Fuller und Dr. Alec Talin vom Sandia National Lab zum Team. Die Forschungsarbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Dr. Eric Pop an der Stanford University durchgeführt. (sb)

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