FOR 2093

Forschungsprogramm

Das Ziel der Forschergruppe ist die technische Nachbildung der neuronalen Informationsverarbeitung im trisynaptischen Schaltkreis des Hippocampus auf der Basis memristiver Bauelemente.

Im Fokus der Forschergruppe steht die Übertragung der neuronalen, synaptischen Plastizität und Informationsspeicherung in eine analoge Schaltungstechnik mit nanoelektronischen, memristiven Bauelementen. Die Herausforderung besteht darin synaptische Plastizitätsmechanismen als Grundlage von Lern- und Gedächtnisprozessen in biologischen Systemen auf memristive technische Schaltungen zu übertragen. Hierbei sollen neurobiologische zelluläre Mechanismen, wie sie in Neuronen und Synapsen vorkommen, innerhalb memristiver Bauelemente nachgebildet werden. Zelluläre Lern- und Gedächtnisformen sollen bauteil- und schaltungstechnisch so rekonstruiert werden, dass implizite  und explizite Lernprozesse technisch nachgebildet werden können. Durch eine detaillierte Charakterisierung der statischen und dynamischen Eigenschaften memristiver Bauelemente und durch die Nachbildung zellulärer Lernmechanismen mittels memristiver Systeme sollen Lern- und Gedächtnisprozesse in neurobiologisch inspirierten Netzwerkschaltungen emuliert werden. Hierzu sollen, basierend auf der besonderen Struktur des hippocampalen trisynaptischen Schaltkreises, neurobiologische Schaltprozesse adaptiert werden, die sich eng an den Lern- und Gedächtnisprozessen innerhalb des Hippocampus des Säugetiergehirns orientieren. Der Hippocampus repräsentiert das zentrale Hirnareal für Gedächtnis, Lernen sowie Musterseparation und -komplettierung. Das Ziel der Forschergruppe ist die Umsetzung der Funktionsabläufe innerhalb des trisynaptischen hippocampalen Schaltkreises in eine memristive Schaltung. Hierbei soll auch die Frage geklärt werden, inwieweit sich die neurologischen Konzepte kognitiver Karten und Ortszellen auf analoge Schaltungsarchitekturen übertragen lassen. Die Forschergruppe soll dieses ambitionierte Ziel durch ein Netzwerk aus Wissenschaftler/innen mit komplementär aufgestellten Expertisen erreichen.

Besondere Merkmale der Forschergruppe:

  • Formierungsfreie, memristive quantenmechanische Tunnelkontakte, memristive Nanokomposite-Bauelemente und laterale Bauelemente, deren Widerstandsschaltmechanismen nicht auf die Ausbildung filamentärer Strukturen für den Ladungstransport, sondern auf homogenen Grenzflächeneffekten beruhen (die Bauelemente sollten hochohmig und dissipationsarm sein)
  • Silizium-basierte Floating-Gate Transistoren mit memristiven Eigenschaften (MemFlash)
  • Einsatz von in-situ Grenzflächenanalysen zur Korrelation der elektrischen, ionischen und strukturellen Eigenschaften der Bauelemente
  • kinetische Monte-Carlo Simulationen zur Beschreibung memristiver Schalteffekte in nano-ionischen  Bauelementen
  • Effiziente Extraktion der wesentlichen memristiven Eigenschaften und neuronalen Schal-tungen über Hardware - und Software-Emulatoren
  • Entwicklung elektronischer Neurotransmitter und elektronische Nachbildung von Lernraten
  • Neuronale Schaltungsarchitektur ohne Trennung zwischen Informationsspeicherung und –verarbeitung
  • Übertragung der grundlegenden Mechanismen der trisynaptischen, hippocampalen Funktionalität auf neuromorphe Schaltkreise mit memristiven Bauelementen
  • Langzeitpotenzierungsabhängiges Lernen auf Netzwerkebene in fehlertoleranten auto- und heteroassoziativen Schaltungen
  • Übertragung der Prinzipien von Ortszellen und kognitiven Karten in elektronische Schaltungen

 

Die erfolgreiche Realisierung der neuronalen Informationsverarbeitung mit Hilfe memristiver, nanoelektronischer Bauelemente wird vielfältige Möglichkeiten im Bereich der neuromorphen Schaltungstechnik eröffnen. Selbstadaptierende Systeme mit einer Parallelarchitektur bei gleichzeitig extrem geringer Energiedissipation sind vorstellbar. Mögliche Anwendungen memristiver, neuromorpher Schaltungen sind z. B. die visuelle Mustererkennung, die auditive Echtzeitsignalverarbeitung, autonome Roboter, intelligente Maschinen und Green IT. Diese Schaltungsarchitektur könnte den Grundstein für einen Paradigmenwechsel in der Informationstechnik legen.
Nanoelektronik, Systemtheorie und Neurowissenschaften bilden die Grundpfeiler der interdisziplinär aufgestellten Forschergruppe. Die Forschergruppe besitzt ausgewiesene Expertisen in der Materialwissenschaft, Grenzflächenanalytik, Bauelementeherstellung, Schaltungstechnik, Systemtheorie und der Neurologie.