Energieeffiziente KI dank innovativer ferroelektrischer Technologie

Herkömmliche Rechnerarchitekturen bewältigen die riesigen Datenmengen nur begrenzt hinsichtlich Verarbeitungsgeschwindigkeit und Energieeffizienz. Neuromorphe 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.

Datenverarbeitung direkt im Speicher

Im Projekt “ViTFOX” arbeiten acht Partner aus Europa und Korea – darunter auch das Fraunhofer IPSM in Dresden – gemeinsam an einer bahnbrechende Vision-Transformer-Architektur auf der Grundlage von ferroelektrischem Oxid, die den Energieverbrauch erheblich verringern soll und die Latenzzeit verkürzt. 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. Die Europäische Union fördert das Projekt mit 1,5 Millionen Euro.

Damit soll das ViTFOX-Projekt KI durch die Entwicklung energieeffizienter neuromorpher Rechensysteme voranbringen. Das Herzstück des 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. zu erreichen. Der Schwellenwert von 50 TOPS/W ist für KI-gestützte Edge-Anwendungen entscheidend. 

Nutzung von Hafnium-Zirkonium-Oxid

Das ViTFOX-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.

3D-FeRAM und ferroelektrische Tunnelverbindungen

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.