Cambridge-Forscher entwickeln Hafniumoxid-Memristor für energieeffiziente KI-Chips

Neues neuromorphes Chipmaterial

Cambridge-Forscher haben ein nanoelektronisches Gerät entwickelt, das Hafniumoxid verwendet und als stabiler, energieeffizienter Memristor fungiert, der die neuronalen Verbindungen im menschlichen Gehirn nachahmen soll. Die in Science Advances veröffentlichte Arbeit befasst sich mit den Energieverbrauchsproblemen aktueller KI-Hardware.

Funktionsweise

Im Gegensatz zu herkömmlichen KI-Systemen, die Daten zwischen separaten Speicher- und Verarbeitungseinheiten hin- und hertransportieren, speichert und verarbeitet dieser hirninspirierte Ansatz Informationen am selben Ort. Das Cambridge-Team erstellte einen dünnen Film auf Hafniumbasis, der anders als bestehende Memristoren zwischen Zuständen wechselt.

Die meisten Memristoren basieren auf leitfähigen Filamenten innerhalb von Metalloxidmaterialien, die sich unvorhersehbar verhalten und hohe Spannungen benötigen. Das Cambridge-Gerät verwendet stattdessen ein zweistufiges Wachstumsverfahren mit zugesetztem Strontium und Titan, um winzige elektronische Gates (p-n-Übergänge) an den Grenzflächen der Schichten zu bilden.

Dadurch kann das Gerät den Widerstand sanft ändern, indem es die Höhe einer Energiebarriere an der Grenzfläche verschiebt, anstatt Filamente wachsen zu lassen oder zu unterbrechen. Der leitende Forscher Dr. Babak Bakhit erklärt: „Da unsere Geräte an der Grenzfläche schalten, zeigen sie eine hervorragende Gleichmäßigkeit von Zyklus zu Zyklus und von Gerät zu Gerät.“

Leistungsmerkmale

• Schaltströme etwa eine Million Mal niedriger als bei herkömmlichen oxidbasierten Geräten
• Erzeugt Hunderte von unterschiedlichen, stabilen Leitfähigkeitsstufen
• Potenzial zur Reduzierung des KI-Energieverbrauchs um bis zu 70 % im Vergleich zu aktueller Hardware
• Hervorragende Stabilität und Gleichmäßigkeit über Schaltzyklen hinweg

Die Forscher betonen, dass effektive KI-Hardware Geräte mit extrem niedrigen Strömen, ausgezeichneter Stabilität, herausragender Gleichmäßigkeit und der Fähigkeit zum Wechsel zwischen vielen verschiedenen Zuständen erfordert. Dieser Hafniumoxid-Memristor-Ansatz scheint diese Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig das Problem der Filamentzufälligkeit zu lösen, das bisherige Memristor-Technologien eingeschränkt hat.