Der Forscher untersucht Materialien, deren Eigenschaften denen des menschlichen Gehirns ähneln

In seiner Blütezeit war Blue Waters von UIUC einer der besten Supercomputer der Welt. Jeder, der neugierig war, konnte den 30.000 Quadratmeter großen Maschinenraum für eine Tour besuchen und eine halbe Stunde damit verbringen, zwischen den 288 riesigen schwarzen Schränken zu schlendern, die von einem 24-Megawatt-Netzteil unterstützt wurden und Hunderttausende von Rechenkernen beherbergten .

Blue Waters ist verschwunden, aber heute beherbergt UIUC nicht nur einen, sondern Zehntausende von weit überlegenen Computern. Obwohl diese wundersamen Maschinen Blue Waters in den Schatten stellen, wiegt jede nur drei Pfund, kann mit Kaffee und Sandwiches betrieben werden und ist nur so groß wie die beiden zusammengerollten Hände ihres Besitzers. Wir alle tragen sie zwischen unseren Ohren.

Tatsache ist, dass die Menschheit weit davon entfernt ist, künstliche Computer zu haben, die es mit den Fähigkeiten des menschlichen Gehirns aufnehmen können, abgesehen von einem engen Bereich genau definierter Aufgaben. Werden wir jemals die Magie des Gehirns einfangen? Um diese Frage zu beantworten, leitete Axel Hoffmann von MRL kürzlich das Schreiben einer APL-Materialien „Perspektiven“-Artikel, der die Bemühungen zusammenfasst und reflektiert, sogenannte „Quantenmaterialien“ zu finden, die die Gehirnfunktion nachahmen können.

„Die Grundidee dessen, was wir in diesem Papier diskutieren, ist die folgende: dass Informationstechnologien immer energieintensiver werden“, sagt Hoffmann, der Gründerprofessor für Materialwissenschaften und -technik ist. „Weißt du, wir verwenden für alle möglichen Dinge viel mehr Berechnungen als früher … und einige dieser Dinge verbrauchen überraschend viel Energie.“

Darüber hinaus sind herkömmliche Computer mit komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) nicht einmal gut für viele der heutigen Rechenaufgaben geeignet, wie Bilderkennung, die verrauschte Daten und schlecht definierte interessierende Merkmale beinhalten kann. „CMOS wurde so konstruiert, dass es wirklich eine sehr präzise Maschine ist, bei der verschiedene Informationszustände gut getrennt gehalten werden“, erklärt Hoffmann. „Deshalb ist es nicht sehr gut dafür ausgelegt, Dinge zu tun, bei denen es viel Zufälligkeit und Schwankungen gibt.“

Das menschliche Gehirn hingegen kann solche kniffligen Aufgaben problemlos bewältigen und verbraucht dabei deutlich weniger Energie als moderne Computer. „Die Idee ist jetzt also, können wir uns vom natürlichen Gehirn inspirieren lassen, um energieeffizientere Wege der Informationsverarbeitung zu finden?“ fragt Hoffmann.

Laut der in der Veröffentlichung diskutierten Forschungslinie wird die Lösung „Materialien sein, die einige der gleichen Eigenschaften besitzen, die Sie im natürlichen Gehirn finden“.

Bestimmte „Quantenmaterialien“ – Materialien, deren physikalische Eigenschaften sich mit einfachen Worten nicht vollständig beschreiben lassen – scheinen dafür geeignet zu sein. Zum Beispiel haben einige von ihnen die Tendenz, auf eine Weise zu oszillieren, die den Schwingungen ähnelt, die sich natürlicherweise im Gehirn bilden.

„Wir wollen Materialien untersuchen, die von Natur aus instabil und schwankend sind“, sagt Hoffmann. „Es unterscheidet sich stark vom herkömmlichen Computer, bei dem Sie sehr große Energiebarrieren zwischen Ihren logischen Nullen und Einsen haben möchten, damit sie gut definiert und gut getrennt sind.“

Darüber hinaus sind in einem herkömmlichen Computer der Speicher und die Recheneinheit getrennt, und Daten werden ständig zwischen ihnen hin und her verschoben – ein Hauptgrund, warum die Berechnung so energieintensiv ist.

„Im natürlichen Gehirn“ hingegen „liegen Rechenleistung und Gedächtnis viel enger zusammen“, sagt Hoffmann. „Informationen … sind viel stärker über das gesamte Netzwerk verteilt, sodass sie nicht verschoben werden müssen.“

Zusammenfassend öffnen Quantenmaterialien die Tür zu Computern, die ein hochgradig energieeffizientes „Hin und Her“ bieten und mit mehreren möglichen Zuständen jonglieren können, während sie sehr wenig Energie verbrauchen.

Hoffmann war Co-Autor des Perspectives-Beitrags zusammen mit seinen Kollegen vom UCSD-geführten, DOE-finanzierten Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing Center. Seine eigene Forschung auf diesem Gebiet konzentriert sich hauptsächlich auf magnetische Materialien und darauf, wie magnetische oszillierende Systeme von Proof-of-Concept-Experimenten zu nützlichen Systemen skaliert werden können.