Energieeffiziente KI-Chips: Deutsch-taiwanesische Kooperation entwickelt neuartige Speichertechnologie unter 3 nm

Der explosierende Energiebedarf künstlicher Intelligenz erfordert innovative Lösungen. Ein deutsch-taiwanesisches Forschungskonsortium arbeitet an einer bahnbrechenden Speichertechnologie für modernste Halbleiterarchitekturen: Ferroelektrische Feldeffekttransistoren auf Hafniumoxid-Basis sollen Rechenoperationen direkt im Speicher ermöglichen und dabei den Stromverbrauch drastisch senken. Die Technologie zielt auf Anwendungen von Mobilgeräten bis zu autonomen Fahrzeugen.

Datentransfer als Engpass: Warum herkömmliche Architekturen an Grenzen stoßen

Der rasante Aufschwung von KI-Anwendungen und neuromorphen Rechensystemen führt zu einem dramatischen Anstieg des Energiebedarfs in Rechenzentren und dezentralen Edge-Systemen. Als zentraler Engpass erweist sich dabei der ständige Datenaustausch zwischen Arbeitsspeicher und Prozessor – die sogenannte Von-Neumann-Architektur stößt an physikalische Grenzen.

Ein internationales Forschungsprojekt zwischen dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS), dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) und dem Taiwan Semiconductor Research Institute (TSRI) setzt genau hier an: Die Wissenschaftler entwickeln Speicherlösungen, die Rechenoperationen direkt am Speicherort durchführen können – ohne energieintensive Datenübertragung.

Hafniumoxid als Schlüsselmaterial für ferroelektrische Speicher

Im Zentrum der Entwicklung stehen ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFETs) auf Basis von Hafniumoxid. Diese Bauelemente bieten entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Speicherlösungen: Durch die ultradünnen Hafniumoxid-Schichten lassen sich die Komponenten nahtlos in aktuelle Halbleiterprozesse integrieren, insbesondere in fortschrittliche Technologieknoten unterhalb von drei Nanometern.

„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“, erläutert Dr. Maximilian Lederer, Projektleiter am Fraunhofer IPMS.

Hundertfacher Effizienzgewinn durch kapazitive Funktionsweise

Der entscheidende Vorteil der FeFET-Technologie liegt in ihrer kapazitiven Arbeitsweise. Im Gegensatz zu resistiven Speicherlösungen benötigen die ferroelektrischen Bauelemente deutlich weniger Energie für Schreib- und Lesevorgänge. In eingebetteten Systemen lässt sich der Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen nichtflüchtigen Speichern um etwa den Faktor 100 reduzieren.

Diese drastische Effizienzsteigerung macht die Technologie besonders attraktiv für batteriebetriebene Geräte und Anwendungen mit strengen Energievorgaben – von Smartphones über Industriesensorik bis zu implantierbaren Medizinprodukten.

300-mm-Forschungslinie für branchenübergreifende Anwendungen

Das ambitionierte Ziel der Kooperation ist der Aufbau einer vollständigen 300-Millimeter-Forschungslinie. Diese soll nicht nur Consumer-Elektronik adressieren, sondern gezielt Anforderungen aus der Automobilindustrie, der industriellen Automatisierung und der Medizintechnik berücksichtigen.

„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“, betont Dr. Chien-Nan Liu, Direktor des Taiwan Semiconductor Research Institute.

Nanosheet-Architektur für maximale Integrationsdichte

Ein weiterer Innovationsaspekt liegt in der Nanosheet-Bauweise der Transistoren. Diese Architektur ermöglicht eine besonders hohe Packungsdichte bei gleichzeitig verbesserter elektrischer Kontrolle. In Kombination mit den ferroelektrischen Eigenschaften des Hafniumoxids entstehen so hochintegrierte Speicherbausteine, die sich optimal für KI-Beschleuniger und neuromorphe Chips eignen.

Die Forschungspartner bündeln ihre Expertise in Materialwissenschaft, Nanotechnologie und Halbleiterfertigung, um die neue Speichergeneration von der Grundlagenforschung bis zur industriellen Anwendung zu entwickeln. Damit positioniert sich die deutsch-taiwanesische Allianz an der Spitze der Entwicklung energieeffizienter Rechnerarchitekturen für die KI-Ära.

Hintergrund: Die Kooperation zwischen Fraunhofer IPMS, Fraunhofer IMWS und TSRI verbindet deutsche Materialforschung und Charakterisierungskompetenz mit taiwanesischer Halbleiterfertigung. Der Fokus auf Sub-3-nm-Technologien adressiert die nächste Generation von Hochleistungsprozessoren und spezialisierten KI-Beschleunigern.

BU: Nahaufnahme (Dieshot) von ferroelektrischen Speicherchips auf einem 300-mm-Wafer des Fraunhofer IPMS.

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