Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSKünstliche Intelligenz arbeitet schnell, doch ihr Energiehunger wächst rasant. Ein deutsch-taiwanesisches Forschungsteam entwickelt nun eine Lösung: Neue Speicher für die führenden Chiptechnologien kleiner 3 nm. Diese innovativen Nanosheet-Bauelemente ermöglichen Rechenoperationen direkt im Speicher und senken so den Energieverbrauch drastisch. Mit einer gemeinsamen Forschungslinie schaffen das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und das taiwanesische Forschungsinstitut TSRI die Basis für die nächste Generation energieeffizienter KI-Chips – von Smartphones über Automobile bis zu medizinischen Geräten.
Angesichts des rasant wachsenden Bedarfs an künstlicher Intelligenz (KI) und neuromorphem Computing steigt der Energieverbrauch von Rechenzentren und Edge-Systemen dramatisch. Ein zentraler Flaschenhals ist der Datentransfer zwischen Hauptspeicher und Recheneinheit. Das gemeinsame deutsch-taiwanesisches Projekt will genau hier ansetzen: Durch eine neuartige Speichertechnologie soll künftig Rechnen »direkt im Speicher« möglich werden, und das mit deutlich geringerer Verzögerung und geringerem Energieaufwand.
Grundlage sind ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeMFETs) auf Hafniumoxidbasis, die besonders effizient arbeiten. Dank dünner Hafniumoxid-Schichten lässt sich die Technologie in moderne Halbleiterprozesse integrieren. Zudem arbeiten diese Bauelemente kapazitiv (statt resistiv) und verbrauchen so in eingebetteten Systemen bis zu etwa 100-mal weniger Energie als vergleichbare nichtflüchtige Speicherlösungen.
Das Fraunhofer IMWS in Halle (Saale) bringt dabei seine Kompetenzen zu NVM-Technologien (Non-Volatile Memory) ein, also zu Speichertechnologien, die Daten auch ohne Stromversorgung speichern können Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Analyse von Ausfallmodi und der Einsatzfähigkeit für zukünftige Automobilanwendungen. Darüber hinaus wird Fraunhofer IMWS die Prozessentwicklung der beiden Projektpartner durch seine Expertise in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bis hin zur atomaren Auflösung sowie durch zusätzliche erforderliche Kompetenzen in der Defektlokalisierung und physikalischen Analyse unterstützen.
»Wir gestalten eine Plattform, die Speichertechnologie und Rechenleistung modernster Chips enger miteinander verknüpft. Das eröffnet neue Möglichkeiten für KI-Systeme und reduziert gleichzeitig den Energieverbrauch«, sagt Dr. Maximilian Lederer, Projektleiter am Fraunhofer IPMS.
Das finale Ziel der Kooperation ist die Einrichtung einer 300-mm-Forschungslinie, die Speicher nicht nur für Consumer-Anwendungen, sondern auch für Automotive, Industrie und Medizintechnik entwickelt.
»Die deutsch-taiwanesische Zusammenarbeit vereint Schlüsselkompetenzen – von der Materialentwicklung über die hochauflösende Materialcharakterisierung bis hin zu modernsten Bauelementarchitekturen. Gemeinsam schaffen wir eine Plattform für die nächste Generation energiesparender Speichertechnologien«, fügt Dr. Chien-Nan Liu hinzu, Direktor des Taiwan Semiconductor Research Institute, National Institutes of Applied Research (TSRI, NIAR).
(15. Dezember 2025)