Im digitalen Zeitalter, in dem KI und Big Data eine immer größere Rolle spielen, ist der Energieverbrauch von Computern und Rechenzentren enorm hoch.
Das menschliche Gehirn hingegen ist in der Lage, mitunter wesentlich energieeffizienter zu operieren.
Um leistungsstärkere und energieeffizientere Computer zu entwickeln, hat ein Forschungsteam Universität Kiel kürzlich Materialien identifiziert, die ähnlich dynamisch wie biologische Nervensysteme funktionieren und Möglichkeiten für eine neuartige Informationsverarbeitung in elektronischen Systemen eröffnen. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Materials Today veröffentlicht und könnten einen wichtigen Schritt für die Entwicklung innovativer Hardware darstellen, die dem Vorbild des menschlichen Gehirns zunehmend näher kommt.
Vom Gehirn inspirierte Hardwarearchitekturen
Im Vergleich zu herkömmlichen Computern, die Informationen sequenziell verarbeiten, arbeitet das menschliche Gehirn parallel und dynamisch. Das ermöglicht eine schnellere Verarbeitung von Informationen bei gleichzeitig geringerem Energieverbrauch, insbesondere in Bereichen wie der Mustererkennung, Gesichtserkennung etc. Neue, von der Natur inspirierte elektronische Bauteile oder Hardwarearchitekturen könnten zukünftig in der Lage sein, Informationen ähnlich zu verarbeiten wie das menschliche Gehirn. Neue Materialien und Prozesse in der Hardware nachzubilden, stellt die Forscher derzeit aber noch vor Herausforderungen.
Die Forscher in Kiel konzentrierten sich auf die Entwicklung von Materialien, die ähnlich dynamisch agieren können, wie dreidimensionale biologische Nervensysteme. Dies bedeutet, dass sich die Anordnung von Atomen, Molekülen und Partikeln verändern kann. Das Team identifizierte sieben grundlegende Prinzipien, die von der Computer-Hardware erfüllt werden müssen, um ähnlich wie das Gehirn zu funktionieren.
Ein Beispiel dafür ist die Notwendigkeit einer gewissen Veränderbarkeit, auch als Plastizität bekannt, die für Lern- und Gedächtnisprozesse unerlässlich ist. Die entwickelten Materialien erfüllten mehrere dieser grundlegenden Prinzipien, jedoch gibt es noch kein Material, das sämtliche Anforderungen erfüllt. Ob sich dies in Zukunft ändert, bleibt vorerst abzuwarten.
Kieler Forscher untersuchen spezielle granulare Netzwerke
Der Bedarf an Rechenleistung, von Industrie und Gesellschaft, wird in den kommenden Jahren voraussichtlich weiter zunehmen. Herkömmliche Ansätze wie die Elektronik-Miniaturisierung in Standardcomputern, stoßen allerdings an technische Grenzen. Mit ihrer Studie wollen die Kieler Forscher nun neue Perspektiven aufzeigen.
Ein Beispiel dafür ist das ungewöhnliche Verhalten spezieller granularer Netzwerke, die das Forschungsteam entwickelt hat. Durch ein spezielles Herstellungsverfahren von Silber-Gold-Nanopartikeln und der Anwendung eines elektrischen Signals, zeigen diese Netzwerke bemerkenswerte Eigenschaften. Sie weisen eine Balance zwischen Stabilität und einer schnellen Veränderung ihrer Leitfähigkeit auf, ähnlich dem Zustand der Kritikalität, in dem das Gehirn am effizientesten arbeitet – im Gleichgewicht zwischen Plastizität und Stabilität.
In weiteren Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass sowohl Zinkoxid-Nanopartikel als auch elektrochemisch gebildete Metallfilamente, Netzwerkpfade durch den elektrischen Input von Oszillatoren verändern können. Zusätzlich synchronisierten sich die elektrischen Signale der gekoppelten Schaltungen nach einiger Zeit. Ähnliches geschieht im Gehirn während bewusster Sinneswahrnehmungen, wenn elektrische Impulse Informationen zwischen den Neuronen austauschen.
Fazit
Die Forschungen an neuartigen Materialien und Hardwarearchitekturen, die dem menschlichen Gehirn ähneln, zeigen vielversprechende Ergebnisse und könnten den Weg für zukünftige Entwicklungen in der Informationsverarbeitung ebnen. Die Erforschung spezieller granularer Netzwerke zeigt beispielhaft das ungewöhnliche Verhalten und die Potenziale dieser Materialien auf. In Zukunft könnten von der Natur inspirierte Hardware- und Elektroniklösungen entscheidende Fortschritte bei der Bewältigung des steigenden Bedarfs an Rechenleistung ermöglichen. Die Erforschung und Entwicklung solcher Innovationen eröffnet neue Denkhorizonte und verspricht eine vielversprechende Zukunft für schnellere, energieeffizientere und leistungsfähigere Hardware.
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