Neuartige Anwendungen in der Informationstechnik wie das Internet der Dinge oder die Analyse großer Datenmengen stellen große Herausforderungen an die heutige Computerarchitektur und Computertechnologie. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, müssen alternative Computerarchitekturen untersucht werden, die den Energiebedarf und die Recheneffizienz erhöhen können. In Kombination mit neuartigen Bauelementtechnologien könten diese alternativen Computerarchitekturen mit gängigen, nicht weiter skalierbaren CMOS Architekturen mithalten.

Ein neuartiger Rechenansatz sieht vor, das Rechnen in den Speicher zu verschieben (sogenanntes datenzentriertes Rechnen). Dadurch kann potentiell eine sehr hohe Effizienz erreicht werden. Dieser Rechenansatz wird auch als „Computation-in-Memory“ (CIM) bezeichnet. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist die reduzierte Kommunikation zwischen dem klassischen Rechenwerk (CPU) und dem Speicher. Dies verspricht einen geringeren Leistungsverbrauch und eine erhöhte Leistungsfähigkeit.

Die vielversprechendsten Lösungen für CIM-Architekturen nutzen neuartige resistive oder magneto-resistive Speichertechnologien, die sowohl als Speicher also auch als Recheneinheit fungieren können. Diese memristiven Bauelemente reduzieren den Gesamtenergieverbrauch, weil sie die Information nicht-flüchtig speichern und der Leckstrom quasi Null ist. Im Gegensatz zum herkömmlichen, flüchtigen DRAM im Hauptspeicher muss die Information nicht ständig erneuert werden. Daher begünstigen memristive Bauelemente Systeme mit gesteigerter Komplexität und höherer Leistungsfähigkeit. Für die wissenschaftliche Gemeinde ergeben sich dadurch vielfältige Möglichkeiten neuartige Computerarchitekturen zu entwickeln um die heutigen Grenzen zu verschieben.

Eine zentrale Herausforderung solcher Architekturen stellt die Entwicklung von zuverlässigen, effizienten Schaltungen dar, die sowohl das Speichern als auch das Rechnen ermöglichen. In diesem Projekt sollen zuverlässige, effiziente Schaltungen basierend auf memristiven Bauelementen entwickelt werden, die eine CIM-Architektur ermöglichen. Dazu sollen (i) der Einfluss der (Un)zuverlässigkeit der memristiven Bauelemente auf die CIM-Operationen gründlich charakterisiert und modelliert werden, und (ii) fehlertolerante CIM Schaltungen entworfen werden, die die Zuverlässigkeitsaspekte der memristiven Bauelemente berücksichtigen.