Entwicklung bahnbrechender und energieeffizienter KI mit innovativer ferroelektrischer Technologie

Wenn künstliche Intelligenz (KI) zunehmend in Sektoren wie dem Gesundheitswesen, autonomen Fahren und intelligenten Städten zum Einsatz kommt, stoßen herkömmliche Computerarchitekturen bei der Verarbeitungsgeschwindigkeit und Energieeffizienz an erhebliche Grenzen. Das Projekt »ViTFOX« vereint acht Partner aus Europa und Korea, um eine bahnbrechende Vision-Transformer-Architektur auf der Grundlage von ferroelektrischem Oxid zu entwickeln, die eine erhebliche Verringerung des Energieverbrauchs und der Latenzzeit ermöglicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Architekturen, die oft auf getrennten Speicher- und Verarbeitungseinheiten beruhen, zielt ViTFOX darauf ab, die Datenverarbeitung direkt in den Speicher zu integrieren und so eine verbesserte Energieeffizienz von 50 TOPS/W zu erreichen.

Herkömmliche Rechnerarchitekturen sind in der Bewältigung der riesigen Datenmengen, die in der heutigen digitalen Landschaft anfallen, begrenzt hinsichtlich Verarbeitungsgeschwindigkeit und Energieeffizienz. Neuromorphe Systeme, also Systeme, die die Arbeitsweise des menschlichen Gehirns imitieren, nutzen spezialisierte Hardware, wie ferroelektrische Geräte, um Berechnungen effizienter auszuführen und so Echtzeitverarbeitung und Entscheidungsfindung zu ermöglichen. Dieser Ansatz steigert nicht nur die Leistung von KI-Anwendungen wie Bilderkennung und Verarbeitung natürlicher Sprache, sondern senkt auch den Energieverbrauch, was ihn zu einer nachhaltigen Lösung für künftige Technologien macht.

Das ViTFOX-Projekt steht an vorderster Front, um KI durch die Entwicklung energieeffizienter neuromorpher Rechensysteme voranzubringen. Das Herzstück des ViTFOX-Projekts ist die Vision-Transformer-Architektur (ViT), die komplexe KI-Berechnungen bei geringerem Energieverbrauch durchführen soll. Vision Transformers sind eine Art neuronaler Netzwerkarchitektur, welche visuelle Daten effektiver verarbeitet als herkömmliche Methoden. Das Projekt zielt darauf ab, einen ViT zu entwickeln, der ferroelektrische Oxidmaterialien nutzt, um eine außergewöhnliche Energieeffizienz von über 50 TOPS/W zu erreichen. Dieser Schwellenwert ist für KI-gestützte Edge-Anwendungen entscheidend. »Wir wollen die Grenzen der aktuellen Technologie erweitern, indem wir Plattformen zur Hardware-Software-Co-Optimierung, neuartige Materialien und Integrationsmethoden entwickeln. Diese können nicht nur die KI-Leistung verbessern, sondern auch einen nachhaltigen Energieverbrauch gewährleisten«, sagt Prof. Dr. Thomas Kämpfe, Projektleiter am Fraunhofer IPMS, einem der Partner im Konsortium. »Wir wollen einen wichtigen Beitrag für die Halbleiterindustrie leisten, indem wir sowohl die technischen Herausforderungen von neuen Speichertechnologien als auch den gesellschaftlichen Bedarf an effizienten Computerlösungen angehen«, fügt er hinzu.

Zusammenarbeit zwischen Europa und Korea, um den Stand der Technik erheblich zu verbessern
Insgesamt besteht das ViTFOX-Konsortium aus acht Partnern von führenden Forschungseinrichtungen, Universitäten und Technologieentwicklungslaboren aus Europa und Korea. Das Projekt zielt darauf ab, die führende Position der EU und Koreas im Bereich der Silizium-kompatiblen ferroelektrischen Elektronik auf Hafnium-Basis zu stärken. Das Gebiet hat innerhalb Europas bereits viel Pionierarbeit geleistet und ist nun bei koreanischen Forschern auf großes Interesse gestoßen. Das Projekt wird die Technologie über den aktuellen Stand hinaus, entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Materialien und Bauelementen, bis hin zur heterogenen und monolithischen Integration sowie dem Entwurf und der Simulation von ViT-Schaltungen und -Systemen voranbringen. Das Projekt ist von besonderer Bedeutung, denn es profitiert von den jüngsten Fortschritten bei ferroelektrischen Materialien, insbesondere Hafnium-Zirkonium-Oxid (HZO). Da es sich als kompatibel mit herkömmlichen Silizium-Bauelementen erwiesen hat, stellt es einen vielversprechenden Ansatz für die Verbesserung von Speicherbauelementen und die Verringerung des Stromverbrauchs dar.



Partner im ViTFOX-Projektkonsortium

Drei der Projektziele sind auf die Entwicklung und Herstellung der Hauptkomponenten des ViT ausgerichtet. Geplant ist ein Compute-in-Memory-Demonstrator, ein Simulator auf Schaltungsebene und eine Plattform zur gemeinsamen Optimierung von Hardware und Software mit ferroelektrischen Oxiden. Die Plattform wird zwei Arten von neuen Speichern unterstützen: den in Korea entwickelten hochdichten 3D-FeRAM und die in Europa entwickelten epitaktischen ferroelektrischen Tunnelverbindungen. Die enge Zusammenarbeit ermöglicht es den Partnern, ihr gemeinsames Fachwissen in den Bereichen Materialwissenschaft, Halbleitertechnologie und künstliche Intelligenz zu bündeln, um die Grenzen dieses aufstrebenden Bereichs zu erweitern. Weitere Informationen über die Zusammenarbeit sind auf der offiziellen Projektwebsite.



Synergien und komplementäre Kompetenzen zwischen den ViTFOX-Konsortien der EU und Korea

Fraunhofer IPMS im Projekt
Das Fraunhofer IPMS ist ein wichtiger Partner im ViTFOX-Projekt und bringt seine umfassende Expertise zu neuromorphen Systemen und Halbleitertechnologien ein. Das Fraunhofer IPMS konzentriert sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Materialien und Geräte für neuromorphe Computeranwendungen, insbesondere unter Verwendung ferroelektrischer Materialien. Dazu gehören der Entwurf und das Testen neuartiger ferroelektrischer Tunnelübergänge (FTJs) und die Integration dieser Bauelemente in funktionale Prototypen. Durch den Einsatz seines hochmodernen Reinraums will das Fraunhofer IPMS die Skalierung und Optimierung ferroelektrischer Technologien erleichtern und sicherstellen, dass diese die strengen Anforderungen für energieeffiziente Computersysteme erfüllen.