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Nr 21 2022 www markttechnik de 23 einer Maschine dem Parametron und einem posthum verliehenen Patent resultierte Damit hat er aber die intrinsische Nichtlinearität der Wellen gar nicht genutzt das ist ineffektiv Für die binäre Logik eignen sich die bekannten CMOS-ICs sehr viel besser als nichtlineare Systeme Im Zusammenhang mit Oscillator Based Computing wird oft auch das Ising-Computing erwähnt das auf Ernst Ising zurückgeht der 1924 als Doktorant von Prof Lorenz die Grundlagen dazu legte Die Grundidee dahinter ist dass physikalische Systeme über die Zeit die Lösung für ein Problem finden die Physik übernimmt sozusagen das Rechnen Ein heute recht prominentes Beispiel sind Quantencomputer auf Basis der »Annealing«-Technik Dieses Prinzip lässt sich aber auch auf Basis von gefangenen Ionen Photonen oder eben auch Spin-Wellen realisieren Was aber nicht Ihr Ansatz ist? Unser Ansatz sieht folgendermaßen aus Wir übertragen das Konzept der Spin-Wellen auf das neuromorphe Computing Unsere Nano-Oszillatoren übernehmen dabei die Rolle der Neuronen die Spin-Wellen die Rolle der Synapsen Der enorme Vorteil Die vielen einzelnen Leitungen die beispielsweise im Gehirn erforderlich sind fallen weg eine einzige genügt Weil die zu übertragenden Informationen in den verschiedenen Frequenzen und Phasen der Welle kodiert sind – ganz ähnlich wie dies beispielsweise in der optischen Breitbandübertragung über Lichtwellenleiter funktioniert Warum nehmen Sie dann nicht einfach Licht? Prinzipiell könnten wir das machen und es gibt Forscher die sich genau damit befassen Sie haben den Vorteil dass sie es mit einer Technik zu tun haben die es schon seit 40 Jahren gibt Sie können also schon mit sehr ausgereiften Bauelementen arbeiten Auch photonische Chips sind längst nichts Neues mehr Allerdings hat die Photonik Nachteile Es wird meist mit der Wellenlänge 1064 nm im Infrarotbereich gearbeitet Das bedeutet Die Abmessungen der Strukturen sind relativ groß so um die 100 µm also sind auch die Chips relativ groß Dasselbe gibt für die Laserquellen Warum ist das bei Spin-Wellen anders? Sie bieten mehre Vorteile Erstens liegt die Spin-Wellenlängen bei unter 50 nm Unsere Spin-Wellen-Quellen die Nanopunkte können nur wenige nm groß sein Sie werden über das Multiplexing der Spin-Wellen aneinandergekoppelt Das alles verspricht viel höhere Packungsdichten – was für den Erfolg des neuromorphen Computings ausschlaggebend wäre Aber wir sind eben auf der Ebene der Grundlagenforschung dort wo die Photonik vor 30 Jahren war Wir hoffen allerdings dass sich die Spin-Wellentechnik schneller entwickeln wird Die Informationen im künstlichen Gehirn sollen mithilfe von Magnonen den Quantenteilchen der Spin-Wellen übertragen werden Die EU fördert das Forschungsprojekt der TU Kaiserslautern mit 1 5 Mio Euro Das Gehirn mit seinen rund 100 Milliarden Nervenzellen verarbeitet Sinneseindrücke in Sekundenbruchteilen die Zellen sind engmaschig durch Synapsen vernetzt – diese Komplexität künstlich nachzubilden war bisher unmöglich Dies zu ändern ist das Ziel des neuen Projektes auf Basis von Magnonen Juniorprofessor Dr Phillipp Pirro von der Technischen Universität Kaiserslautern wird dazu vom Europäischen Forschungsrat ERC für fünf Jahre mit einem mit 1 5 Mio Euro dotierten ERC Starting Grant ausgezeichnet In der Forschung dient das Gehirn zum Vorbild um besonders effektive Rechner zu konstruieren sogenannte neuromorphe Computer Auch hier werden künstliche Neuronen über künstliche Synapsen hochgradig miteinander vernetzt Mithilfe solcher Computer soll die Datenverarbeitung in Zukunft deutlich beschleunigt werden was zum Beispiel für das autonome Fahren oder die Erkennung von Mustern bei komplexen Datenbanken wichtig ist Damit dieses System reibungsfrei läuft ist die technische Ausgestaltung der synaptischen Verbindung von entscheidender Bedeutung »Sie sind sehr komplex daher ist es schwierig sie mit herkömmlichen elektronischen Schaltungen zu realisieren« sagt Juniorprofessor Dr Philipp Pirro der an der TUK im Gebiet des Magnetismus forscht Das Team um den Kaiserslauterer Physiker arbeitet daran dieses Problem zu überwinden Dabei setzt es auf Spin-Wellen die kollektiven Anregungen von Spins in einem magnetischen Material Beim Spin handelt es sich um den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens beispielsweise eines Elektrons oder Protons Er legt damit die Grundlage für magnetische Phänomene Interessant sind Spin-Wellen für die Anwendung weil ihre Quantenteilchen die Magnonen mehr Informationen transportieren können als Elektronen und gleichzeitig deutlich weniger Energie verbrauchen In dem vom ERC geförderten Projekt »CoSpiN – Coherent Spintronic Networks for Neuromorphic Computing« sollen die Spin-Wellen zum Einsatz kommen um die Verknüpfung und die Informationsübertragung zu ermöglichen »Das Prinzip ähnelt der Breitbandkommunikation bei der Informationen über Lichtwellen transportiert werden Wir möchten mit Spin-Wellen arbeiten die Informationen auf verschiedenen Frequenzen transportieren können« so Pirro weiter »Sie fungieren als Synapsen « Als künstliche Neuronen sollen Nano-Oszillatoren dienen Das sind winzig kleine Schwingungserzeuger die Spin-Wellen aussenden Ziel ist es physikalische Bausteine für ein neuartiges spintronisches Netzwerk im Nanomaßstab zu entwickeln »Damit möchten wir den Grundstein für ein künstliches Gehirn legen das möglichst nah am natürlichen Vorbild ist« sagt der Kaiserslauterer Physiker Mit einer solchen Technologie ließen sich künftig beispielsweise schnellere und leistungsfähigere Rechner realisieren Die Arbeiten werden im neuen Forschungsgebäude LASE Laboratory for Advanced Spin Engineering auf dem Campus der TUK stattfinden Eingebunden ist Pirros Forschung in den vom Land geförderten Profilbereich OPTIMAS Optik und Materialwissenschaft und den Sonderforschungsbereich SFB TRR 173 »Spin+X – Spin in its collective environment« der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird ha TU Kaiserslautern will künstliches Gehirn bauen Magnonen machen’s möglich