PC-Gehirne möglich

Superspeicher arbeiten wie die grauen Zellen

(Bild: thinkstockphotos.de)

Selbst Superrechner sind nicht so effizient wie das menschliche Gehirn, daher versuchen Wissenschaftler weltweit, künstliche Nervenzellen zu erschaffen. So soll die Arbeitsweise des Gehirns imitiert werden, um lernfähigere Computer zu erschaffen. Deutsche Physiker konnten nun erstmals nachweisen, wie mikroskopisch kleine Bauteile namens Memristoren in der Lage sind, die grauen Zellen zu imitieren. Damit bestätigen sie die Annahme, dass Memristoren künftig zum Bau künstlicher Gehirne und Nervensysteme eingesetzt werden können.

Memristoren gelten als neue Hoffnungsträger der Elektrotechnik. Schon in den 1970ern erdacht, gelang es erst 2008, den ersten der neuartigen Speicher zu bauen. Schließlich sind Bauteile dieser Art winzig klein, sie bestehen zum Beispiel aus Drähten in Nanogröße.

Die Besonderheit des Memristors: Die Nanodrähte leiten Strom unterschiedlich stark, das hängt unter anderem davon ab, wie stark der Strom war, der in der Vergangenheit durch sie geflossen ist und wie lange der Strom auf sie einwirken konnte. Memristoren lernen also und merken sich ihre "Geschichte" - und das auch dann, wenn der Strom abgeklemmt ist. Somit funktioniert ein Memristor ähnlich wie eine Synapse - jenes Bauteil, das im menschlichen Gehirn Nervenzellen miteinander verbindet. Auch diese "Brücke" wird stärker und effizienter, je öfter sie beansprucht wird. So kann Gelerntes und oft Wiederholtes schnell und energiesparend abgerufen werden.

Eigenständig lernfähige Computer als Ziel
Mithilfe der Memristoren sollen Computer entstehen, die beispielsweise selbstständig von ihrer Programmierung abweichen können, wenn eine neue Verbindung häufiger genutzt wird als die ursprüngliche: Wenn etwa eine Sonde auf Weltraummission ein unvorhergesehenes Objekt gleich mehrfach registriert, könnte sie eigenständig einen Beschluss fassen, nämlich dass es von Belang sein könnte, zumindest Daten über die Begegnung zu sammeln und zur Erde zu senden. Das würde Computer ähnlich schnell und energiesparend arbeiten lassen wie das menschliche Gehirn.

Deutsche Forscher weisen Ähnlichkeit nach
Mit dieser Wissenschaft beschäftigen sich unter anderem Forscher um Andy Thomas von der deutschen Universität Bielefeld. Wer ihr Labor betritt, sieht gelb. "Das Gelblicht brauchen wir, weil wir mit lichtempfindlichem Lack arbeiten", erklärt der Experimental-Physiker. Die Messungen des Teams belegen, dass die elektronischen Bauteilchen ähnlich funktionieren wie die oft zitierten grauen Zellen des Menschen.

Nano-Speicher entsteht durch Fotolack
Thomas hält eine kreisrunde Grundplatte in der Hand, den "Wafer". Hier befinden sich mehrere hauchdünne, metallhaltige Schichten übereinander. Das Herzstück besteht aus einer Schicht Magnesiumoxid, die auf beiden Seiten von Kobalt-Eisen-Bor umgeben ist. Zusammen bilden sie die Funktionsschicht, aus der mittels Photolithographie und Ätzung die Memristoren entstehen.

Dazu wird die Funktionsschicht mit Fotolack überzogen und belichtet. Was nach der Entwicklung vom Lack übrig bleibt, markiert die späteren Memristoren. Und nur, was sich unter dem Lack befindet, bleibt, die restliche Funktionsschicht wird komplett weggeätzt. Am Ende befinden sich auf dem Wafer zahlreiche winzige Türmchen der dreiteiligen Funktionsschicht: eine Vielzahl von Memristoren, die zusammen ein Nano-Speicherelement bilden, das Thomas und sein Team für ihre Untersuchungen benötigen.

Winzig, aber oho
Das Ganze spielt sich in Größen-Dimensionen ab, die die menschliche Vorstellungskraft stark strapazieren, wie Andy Thomas durch einen Vergleich deutlich macht: "Die Höhe eines Memristoren-Türmchens entspricht der Dicke eines tausendmal gespaltenen Haares." Doch die Winzlinge haben es in sich: Denn anders als die bisher üblichen Transistoren merken sie sich, wenn Strom durch sie hindurch geflossen ist; die sogenannte memristive Leistung erbringt die mittlere Schicht, hier das Magnesiumoxid.

"Bau künstlicher Gehirne ist möglich"
Die Verbindung wird stärker, je öfter sie genutzt wird - ähnlich wie bei menschlichen Synapsen. Wenn etwa ein Schüler das Einmaleins so lange übt, bis zwischen den Zahlen vier, sieben und 28 sozusagen eine Standleitung geschaltet ist. Was im Gehirn des Kindes automatisch funktioniert, hat das Team um den Experimental-Physiker Thomas jetzt erstmals für die Memristoren nachgewiesen. "Unsere Messungen zeigen, wie stark der Strom sein muss und wann er fließen muss, damit die Leitfähigkeit sich auf ähnliche Weise verstärkt wie die Verbindungen im menschlichen Gehirn", erläutert er. "Damit ist belegbar, dass Memristoren tatsächlich Nervenzellen imitieren und mit ihnen der Bau künstlicher Gehirne möglich ist."

Memristoren als Energiesparwunder
Experten der Luft- und Raumfahrt verfolgen die Forschung mit großem Interesse. Allerdings vor allem deshalb, weil die winzigen Speicherelemente wahre Energiesparwunder sind. Andreas Schütz vom Deutschen Zentrum für Raum- und Luftfahrt in Berlin: "Das Energiemanagement ist eine der wichtigsten Rahmenbedingungen für erfolgreiche Weltraummissionen. Wenn wir weniger Energie benötigen, müssen wir sie erst gar nicht mitnehmen."

"Noch sind die Experten sich nicht einig über den genauen Nutzen der neuen Technik", sagt Rainer Waser von der RWTH Aachen, der eines der führenden Forscherteams auf dem Gebiet leitet. Deshalb werde zurzeit beispielsweise das Verhalten unterschiedlicher Materialien untersucht. "Wir müssen realistisch sein: Bis ein Computer tatsächlich ähnlich wie ein menschliches Gehirn arbeitet, dauert es auf jeden Fall noch eine ganze Weile." Aber schon mit der enormen Energieeinsparung werde der Memristor den Computermarkt revolutionieren.

Ähnliche Untersuchungen wie jene in Bielefeld werden derzeit unter anderem an der TU Graz, aber auch von IBM-Forschern und Neurobiologen in Südafrika durchgeführt (siehe Infobox).