NeuroSys - Neuromorphe Hardware für autonome Systeme der künstlichen Intelligenz

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Prof. Dr.-Ing. Max Lemme © Urheberrecht: Martin Braun

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Prof. Dr.-Ing. Max Lemme

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  Künstlerische Darstellung eines künstlichen Gehirns Urheberrecht: © AMO GmbH

NeuroSys ist Teil der Zukunftscluster-Initiative „Clusters4Future“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Die Initiative setzt sich aus drei dreijährigen Umsetzungsphasen zusammen, bei der die erste Umsetzungsphase am 01.01.2022 begonnen hat.

NeuroSys hat die Vision, die Region Aachen als einen weltweit führenden Standort für Forschung, Entwicklung und Innovation in neuromorpher Hardware für Künstliche Intelligenz (KI) zu etablieren. Dafür werden in der Region alle Kompetenzen gebündelt und zu einem Innovationsökosystem aufgebaut, das für die Entwicklung zukünftiger europäischer KI-Hardware benötigt wird. Die langfristige Vision ist die Entfaltung eines europäischen Weges durch technologische Unabhängigkeit in diesem ethisch und wirtschaftlich sensiblen Bereich. KI dominiert als Software bereits Bereiche wie Computer-Vision und Sprachverarbeitung. Allerdings werden innovative neue Hardware-Konzepte gebraucht, um Anwendungen wie autonomes Fahren, personalisierte Gesundheitsversorgung, intelligente Städte, das Internet der Dinge und Wirtschaft 4.0 nachhaltig realisieren zu können, denn herkömmliche Computerhardware stößt bei KI-Anwendungen zunehmend an inhärente Grenzen der Energieeffizienz. NeuroSys überwindet diese Grenzen durch die Entwicklung von neuro-inspirierter Hardware, die KI-Systeme bezüglich Energieeffizienz und Performanz revolutionieren kann. NeuroSys umfasst ein breites Spektrum von Fachwissen, das durch die interdisziplinäre Verzahnung einen integrierten und nachhaltigen Forschungs- und Transformationsprozess in Gang zu setzen vermag: PhysikerInnen, Material- und NeurowissenschaftlerInnen, IngenieurInnen und InformatikerInnen arbeiten gemeinsam mit WirtschaftswissenschaftlerInnen, EthikerInnen und SoziologInnen an Innovationen, die nicht nur technologisch fortschrittlich, sondern zugleich ökonomisch wertschöpfend sowie gesellschaftlich nützlich und wünschenswert sind. Die RWTH Aachen als Keimzelle arbeitet dabei mit dem Helmholtz-Institut, dem FZ-Jülich und dem NRW Landesinstitut AMO GmbH eng zusammen. Start-Ups und regionale Unternehmen sind integraler Bestandteil im Cluster, während bundesweit agierende Konzerne und international ausgewiesene WissenschaftlerInnen den Beirat besetzen.

Im Detail besteht NeuroSys aus fünf Teilprojekten (A - E) mit verschiedenen Schwerpunkten, die eng zusammenarbeiten:

Projekt A: Memristor Crossbar Architekturen

  • In Projekt A wird die Technologie für die Herstellung von memristiven Crossbar Architekturen entwickelt. Dies umfasst die Optimierung verschiedener Arten von memristiven Materialien und Bauelementen (Oxide und 2D Materialien) und die Entwicklung von Schemata für deren hybride Integration in CMOS-Back-End-Of-Line (BEOL) Prozesse.

Projekt B: Photonische neuromorphe Schaltkreise

  • Optische Übertragungssysteme ermöglichen extrem hohe Datenraten und eine substanzielle Verkürzung von Latenzzeiten während der Signalübertragung. Hier werden eben diese Eigenschaften genutzt, um neuromorphe Hardware weit über die Performance reiner Elektronik zu beschleunigen. Parallel wird an der Integration der Photonik im BEOL Prozess und an der Entwicklung remanenter optischer Steuerungselemente gearbeitet, um sie später mit dem Systemkonzept zu kombinieren.

Projekt C: Algorithm-Hardware Co-Design

  • Projekt C führt die Expertisen aus den Neurowissenschaften, dem automatisierten Systementwurf und der hardwarenahen Schaltungsentwicklung zusammen, um neuromorphe Prinzipien bei der Entwicklung neuartiger Algorithmen und neuartiger Bauelementeigenschaften anzuwenden.

Projekt D: Impulse durch Anwendungen

  • Das Ziel von Projekt D ist es die Vorteile der neuromorphen Hardware für eine optimale Nutzung aus der Anwenderperspektive (application-pull) zu untersuchen. Dazu werden vier repräsentative Anwendungsbeispiele neuromorpher Hardware für unterschiedliche Anforderungen erforscht:
    • Kamerabasierte Diagnostik
    • Sprachübersetzung
    • Videoobjektsegmentierung
    • Individualisierte medizinische Controller

Projekt E: Innovationsprozess und Geschäftsmodellentwicklung

  • In Projekt E wird die Entwicklung der technischen Architekturen, Schaltkreise und Anwendungen systematisch um ökonomische, gesellschaftliche und ethische Analysen erweitert. Diese Betrachtungen sind essenziell, um für die aus den Projekten A-D hervorgegangenen Innovationen einen ökonomisch tragfähigen, ethisch wünschenswerten und gesellschaftlich gangbaren Entwicklungsprozess zu gewährleisten.

Die Gesamtkoordination des Clusters läuft über unseren Lehrstuhl. Bei Fragen können Sie uns deshalb gerne direkt unter neurosys@eld.rwth-aachen.de kontaktieren. Weitere Informationen finden Sie auf der Projekt-Website www.neurosys.info.

Zudem ist unser Lehrstuhl an den Projekten A und E beteiligt. In Projekt A erarbeiten wir Herstellungs- und Charakterisierungsprozesse für memristive Arrays auf Basis von 2D Materialien sowie deren Integration auf CMOS Strukturen. Außerdem entwickeln wir einen Herstellungsprozess für Crossbar-Arrays in der sogenannten 1-Transistor-1-Memristor-Struktur mit memristiven Bauteilen im Nanometerbereich. Innerhalb des Projektes E ist unser Lehrstuhl die Schnittstelle zwischen den technisch-wissenschaftlichen Akteuren auf der einen Seite und den wirtschafts- und gesellschaftswissenschaftlichen sowie innovationsbegleitenden Akteuren auf der anderen Seite. Dies sichert den schnellen und reibungslosen Transfer von Wissen aus der NeuroSys-Forschung hin zu den Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaftlern der Initiative.

Der Zukunftscluster NeuroSys wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Cluster-/Projektpartner

RWTH Aachen University, Aachen, Deutschland

Forschungszentrum Jülich, Jülich, Deutschland

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