Der Mensch als Vorbild 17.08.2021, 07:01 Uhr

KI: Mit magnetischen Nano-Scheiben das menschliche Gehirn nachahmen

Beim neuromorphen Computing versuchen Forschende, die dynamische Natur des menschlichen Gehirns nachzustellen. Damit auch in der KI das System der Kommunikation von Neuronen über Synapsen funktioniert, haben sie eine Nano-Scheibe mit schwingenden Magnetwirbeln entwickelt.

Nano-Scheibe mit Magnet-Wirbeln

Forschende haben eine Nano-Scheibe entwickelt, die sie per Ionenbestrahlung so manipulierten, dass die dadurch schwingenden Magnetwirbel auf mehrere Frequenzen ansprachen.

Foto: HZDR/Juniks

Ein Computer ist in puncto Rechenleistung dem menschlichen Gehirn zwar überlegen, in Sachen Effizienz bleibt das Gehirn allerdings weit vorn. Eine Annäherung stellen sogenannte neuroinspirierte Rechner dar. Sie ahmen die dynamische Verarbeitung von Signalen des menschlichen Gehirns nach. Bislang kommen dafür vor allem Softwarelösungen zum Einsatz. Forschende des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun eine alternative Methode entdeckt: Nano-Scheiben zeigen durch schwingende Magnetwirbel ähnliche Aktivitätsmuster Nervenzellen im Gehirn, die miteinander kommunizieren.

Das Team der Forschenden setzte Ionenstrahlen ein und beeinflusste die Scheiben so, dass die Wirbel auf mehr als einer Frequenz Signale senden und empfangen können. Diese magnetischen Nano-Scheiben könnten für Miniatur-Anwendungen in der künstlichen Intelligenz einen Durchbruch bedeuten.

KI soll möglichst ähnlich effizient werden wie das menschliche Gehirn

Mehr Digitalisierung bedeutet auch, dass mehr Rechenleistung dafür benötigt wird und zugleich der Energieverbrauch steigt. Deshalb könnten Lösungen in der Mikroelektronik von entscheidender Bedeutung sein, vor allem integrierte, spintronische Lösungen. Der Vorteil dieser Technologien: sie reduzieren Wärmeverluste durch elektrischen Strom, indem sie die Spins der Elektronen zusätzlich zur Elektronenbewegung für die Informationsübertragung nutzen – oder es sogar schaffen, mit reinen Spinströmen Energieverluste durch Wärme komplett zu vermeiden.

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Beim sogenannten neuromorphen Computing geht es darum, die dynamische Natur des menschlichen Gehirns nachzustellen. „Jede unserer Nervenzellen hat über 7.000 Synapsen, um mit anderen Neuronen zu kommunizieren. Das macht das Gehirn unglaublich effizient. Parallele Datenverarbeitung oder Grafikkarten können da bei Weitem nicht mithalten“, sagt Alina Deac, die die Studie leitet. „Gerade beim neuroinspirierten Rechnen stehen Hardwareentwicklungen noch ganz am Anfang. Hier können wir mit unserer Forschung einen echten Unterschied machen.“

Durch Magnetwirbel Informationen speichern – ein Schritt weiter für KI

Das Team der Forschenden am HZDR konzentrierte sich bei ihrem Ansatz auf schwingende Magnetwirbel. Sie nahmen ultradünne Nanostrukturen aus magnetischen Materialien. Ähnlich einem Trichter oder auch einem Wirbelsturm können sich die Spins der Elektronen auf den Strukturen wirbelförmig anordnen. So ist es möglich, dass je nach Drehrichtung und Orientierung im Kern nach oben oder unten jeder Wirbel vier verschiedene Zustände annehmen kann. Als Ergebnis werden zwei Bit Informationen gespeichert.

Ein äußerer Stromimpuls manipuliert die Position des Kerns. Dadurch bewegt sich dieser spiralförmig wieder zum Ausgangspunkt. Sobald die Forschenden diesen Impuls im richtigen Moment wiederholen, schwingt der Wirbel erneut kreisförmig um sein Zentrum. Und genau diese Schwingungen sind entscheidend für das neuromorphe Computing. Darüber tauschen die Wirbel Informationen aus: Eine Kommunikation entsteht und die Schwingungen synchronisieren sich. Hier lässt sich die Parallele zu biologischen Neuronen erkennen, denn Synapsen feuern ebenfalls schnell elektrische Impulse ab.

Auf mehreren Kanälen funken – Voraussetzung für KI

Den Forschenden gelang mit den Nano-Scheiben ein Durchbruch, weil erstmals der Spin-Wirbel auf mehr als eine Frequenz ansprach. Sie nutzten dafür die Elektronenstrahllithographie, Reinraumeinrichtungen und präzisen Ionenbeschuss. So konnten sie zwei voneinander abgegrenzte Bereiche in den Scheiben mit jeweils unterschiedlichen Magnetisierungsgraden erzeugen. Dadurch entstanden die verschiedenen Resonanzfrequenzen. Das bedeutet: Die künstlichen Synapsen und Neuronen sind quasi in der Lage, auf mehreren Kanälen zu funken. Und genau das ist vor allem bei der Spracherkennung von entscheidender Bedeutung, denn hier sind mehrere Frequenzen in einem System Voraussetzung für die Mustererkennung künstlicher Intelligenz. Bislang waren die magnetischen Wirbel-Schwingungen auf eine Resonanzfrequenz beschränkt.

Nach dieser Entwicklung wollen die Forschenden nun den Sprung in die Anwendung und industrielle Fertigungsprozesse schaffen. „Es ist ein Riesenvorteil, dass wir unsere Entwicklung hier bereits vor Ort auf ihre Praxistauglichkeit testen können. Zum Beispiel können wir die Nano-Scheiben mit unseren Partnern an der TU Dresden und bei der Industrie langfristig auch in komplexere Elektronik integrieren“, erklärt Alina Deac. Die Forschenden sehen großes Potenzial für ein breites Anwendungsspektrum. Magnetwirbel-Technologien werden zum Beispiel in kommerziellen Magnetspeichern und für neue Drahtlostechnologien eingesetzt.

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Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat Geschichte und Kunstgeschichte (M.A.) studiert. Unter anderem hat sie für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

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