Nanotechnologie Evolvierende Schaltkreise nach Art des menschlichen Gehirns

Autor Sebastian Gerstl

Forscher der Universität Twente haben neuartige elektronische Schaltkreise vorgestellt, die nach einer Art darwinscher Evolution geschaffen wurden. In Größe her mit herkömmlichen Bauteilen vergleichbar, ähneln sie im Aufbau eher neuralen Netzwerken wie im menschlichen Gehirn. Die Forscher erhoffen sich eine Grundlage für leistungsstarke, energieeffizientere Elektronik.

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Schematische Darstellung des Nanopartikel-Netzwerks, Durchmesse etwa 200 Nanometer: Über elektrische Signale an den Elektroden (gelb im Bild) und mit Hilfe von künstlicher Evolution auf Basis eines eigens angelegten Algorithmus wird aus dem ungeordneten Netzwerk ein brauchbarer elektronischer Schaltkreis.
Schematische Darstellung des Nanopartikel-Netzwerks, Durchmesse etwa 200 Nanometer: Über elektrische Signale an den Elektroden (gelb im Bild) und mit Hilfe von künstlicher Evolution auf Basis eines eigens angelegten Algorithmus wird aus dem ungeordneten Netzwerk ein brauchbarer elektronischer Schaltkreis.
(Bild: University of Twente)

Die Entwicklung leistungsstärkerer Mikroelektronik ist seit jeher prinzipiell geprägt vom Morre'schen Gesetz, nach dem sich in regelmäßigen Abständen die Anzahl der Schaltkreiskomponenten auf einem Chip verdoppelt. Verschiedene Experten sagen jedoch ein sich abzeichnendes Ende dieser Regel voraus, da die physikalischen Grenzen einer möglichen Minituarisierung der nötigen Transistoren bald erreicht seien. Auch Energieffizienz spielt eine immer größere Rolle bei der Entwicklung von kleiner, leistungsfähiger Elektronik. Aus diesen Gründen arbeiten Forschern an alternativen Methoden zur Produktion von Schaltkreisen, die vom klassischen Chipdesign abweichen.

Forscher der Universität Twente in den Niederlanden haben nun eine neuartige Art von Schaltkreisen. Die Wissenschaftler orientierten sich hierbei an der Natur: Statt auf gezielt entworfene Schaltkreise zu setzen, besteht ihr „designloses“ System aus einem Verbund an Gold-Nanopartikeln, die ähnlich wie das neurale Netzwerk des menschlichen Gehirns zusammenarbeiten.

Mit Hilfe eines „genetischen Algortihmus“ führen die Wissenschaftler, wie Sie in Ihrer in der Fachpublikation Nature erschienenen Studie schildern, eine künstliche Evolution der elektrischen Eigenschaften dieses ungeordneten Systems herbei. Mit Hilfe elektrischer Signale kann dieses Netzwerk in 16 verschiedene Logik-Gates konfiguriert werden. Durch diesen „evolutionären“ Ansatz ist der Schaltkreis in der Lage, um eventuell vorhandene Materialfehler herumzuarbeiten, die für herkömmliche Elektronik-Bauteile oft fatal sind. Auf diese Weise ließen sich kostspielige Designfehler beim Entwickeln von Schaltkreisen vermeiden.

Nach Aussage der Wissenschaftlich ist dies das erste Mal, dass es gelungen ist, stabile Elektronik mit einem designlosen Ansatz zu verwirklichen, die in ihren Dimensionen mit herkömmlicher kommerzieller Technologie vergleichbar ist. Nach Aussage von Prof. Wilfried van der Wiel, Lehrstuhlleiter für Nanoelektronik der Universität Twente und einer der Autoren der Studie, sind die mit dieser Methode derzeit verwirklichten in ihrer Rechenleistung derzeit noch begrenzt; es handelt sich vielmehr um eine Machbarkeitsstudie. Er ist aber zuversichtlich, dass mit diesen Bauteilen ein erster Schritt für flexiblere Elektronik ist.

Computer, die mit traditionellen Schaltkreisen ausgestattet sind, täten sich mit komplexen Aufgaben wie Gesichtserkennung noch schwer. Da die „evolvierten“ Schaltkreise einem neuralen Netzwerk wie dem menschlichen Gehirn ähnlich seien, könnten sie solche Herausforderungen laut van der Wiel möglicherweise deutlich leichter meistern. Ein weiterer Vorteil dieser Bauteile läge nach Ansicht der Forscher darin, dass sowohl deren Produktion als auch ihr Betrieb weniger Energie benötigt. GErade für mobile Elektronik oder Medizintechnik seien diese neuartigen Bauteile daher besonders interessant.

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