Forscher identifizieren Schlüsselmechanismen und neuartige Materialien für die biologisch inspirierte Informationsverarbeitung

Jede Suchmaschinenanfrage, jeder KI-generierte Text und Entwicklungen wie das autonome Fahren: Im Zeitalter von künstlicher Intelligenz (KI) und Big Data verbrauchen Computer und Rechenzentren viel Energie. Im Gegensatz dazu ist das menschliche Gehirn weitaus energieeffizienter. Um leistungsfähigere und energiesparendere Computer nach dem Vorbild des Gehirns zu entwickeln, hat ein Forscherteam aus der Materialwissenschaft und Elektrotechnik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun grundlegende Anforderungen an geeignete Hardware ermittelt.

Die Wissenschaftler haben Materialien entwickelt, die sich dynamisch ähnlich wie biologische Nervensysteme verhalten. Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht im Tagebuch Materialien heute und könnte zu einer neuen Art der Informationsverarbeitung in elektronischen Systemen führen.

Informationen dynamisch statt seriell verarbeiten

„Computer verarbeiten Informationen seriell, während unser Gehirn Informationen parallel und dynamisch verarbeitet. Das geht deutlich schneller und verbraucht weniger Energie, beispielsweise bei der Mustererkennung“, sagt Prof. Dr. Hermann Kohlstedt, Professor für Nanoelektronik und Sprecher des Sonderforschungsbereichs 1461 Neurotronik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

Die Forscher wollen die Natur als Inspirationsquelle für neue elektronische Komponenten und Computerarchitekturen nutzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computerchips, Transistoren und Prozessoren sind sie darauf ausgelegt, Signale auf ähnliche Weise zu verarbeiten wie das sich ständig verändernde Netzwerk von Neuronen und Synapsen in unserem Gehirn.

„Aber Computer basieren immer noch auf der Siliziumtechnologie. Obwohl es in Bezug auf xy beeindruckende Fortschritte bei der Hardware gegeben hat, bleiben Netzwerke aus Neuronen und Synapsen in Bezug auf Konnektivität und Robustheit konkurrenzlos“, sagt Dr. Alexander Vahl, ein Materialwissenschaftler. Um die Dynamik der biologischen Informationsverarbeitung abbilden zu können, ist die Erforschung neuer Materialien und Verfahren erforderlich.

Das Forschungsteam konzentrierte sich daher auf die Entwicklung von Materialien, die sich dynamisch ähnlich wie dreidimensionale biologische Nervensysteme verhalten. „Dynamik“ entsteht hier dadurch, dass sich die Anordnung von Atomen und Teilchen in den Materialien verändern kann. Dazu haben die Forscher sieben Grundprinzipien identifiziert, die Computerhardware erfüllen muss, um ähnlich wie das Gehirn zu funktionieren.

Dazu gehört beispielsweise ein gewisses Maß an Wandelbarkeit: Die sogenannte Plastizität des Gehirns ist eine Voraussetzung für Lern- oder Gedächtnisprozesse. Die daraufhin von den Forschern entwickelten Materialien erfüllen mehrere dieser Grundprinzipien. Das „ultimative“ Material, das alles erfüllt, existiert jedoch noch nicht.

Jenseits der klassischen Siliziumtechnologie

„Wenn wir diese Materialien miteinander oder mit anderen Materialien kombinieren, eröffnen wir Möglichkeiten für Computer, die über die traditionelle Siliziumtechnologie hinausgehen“, sagt Prof. Dr. Rainer Adelung, Professor für Funktionelle Nanomaterialien. „Industrie und Gesellschaft benötigen immer mehr Rechenleistung, doch Strategien wie die Miniaturisierung der Elektronik stoßen bei Standardcomputern mittlerweile an ihre technischen Grenzen. Mit unserer Studie wollen wir neue Horizonte eröffnen.“

Als Beispiel beschreibt Maik-Ivo Terasa, Doktorand in den Materialwissenschaften und einer der Erstautoren der Studie, das ungewöhnliche Verhalten der speziellen granularen Netzwerke, die das Forschungsteam entwickelt hat. „Wenn wir Silber-Gold-Nanopartikel auf eine bestimmte Weise herstellen und ein elektrisches Signal anlegen, zeigen sie besondere Eigenschaften. Sie zeichnen sich durch ein Gleichgewicht zwischen Stabilität und einer schnellen Änderung ihrer Leitfähigkeit aus.“ In ähnlicher Weise funktioniert das Gehirn am besten, wenn ein Gleichgewicht zwischen Plastizität und Stabilität besteht, das als Kritikalität bezeichnet wird.

In drei weiteren Experimenten zeigten die Forscher, dass sowohl Zinkoxid-Nanopartikel als auch elektrochemisch geformte Metallfäden genutzt werden können, um über den elektrischen Eingang von Oszillatoren die Netzwerkpfade zu verändern. Als das Forschungsteam diese Schaltkreise koppelte, synchronisierten sich ihre elektrischen Signalausschläge im Laufe der Zeit. Ähnliches geschieht bei der bewussten Sinneswahrnehmung mit den elektrischen Impulsen, die Informationen zwischen Neuronen austauschen.