Energieeffiziente KI mit ferroelektrischer Technologie

Herkömmliche Rechnerarchitekturen sind in der Bewältigung der riesigen Datenmengen, die in der heutigen digitalen Landschaft anfallen, hinsichtlich Verarbeitungsgeschwindigkeit und Energieeffizienz begrenzt. 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 Projekt ‚Vitfox‘ vereint acht Partner aus Europa und Korea, um eine 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. Die Europäische Union fördert das Projekt mit 1,5 Millionen Euro.

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, die visuelle Daten effektiver verarbeitet als herkömmliche Methoden. Das Projekt zielt darauf ab, einen ViT zu entwickeln, der ferroelektrische Oxidmaterialien nutzt, um eine 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

Insgesamt besteht das Vitfox-Konsortium aus acht Partnern von führenden Forschungseinrichtungen, Universitäten und Technologieentwicklungslaboren aus Europa und Korea. Das Projekt zielt darauf ab, die 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.

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.