Autor: MemrisTec

Elektronik in den Weltraum zu schicken, ist keine leichte Aufgabe. Im erdnahen Orbit stellen Strahlung, extreme Temperaturen und das Vakuum Herausforderungen dar, denen herkömmliche Speicher nicht standhalten können. Das LEOMEM-Projekt, Teil des DFG-Schwerpunktprogramms MemrisTec und ab 2025 von der DFG gefördert, widmet sich diesen Herausforderungen. Forscher der TU München, der Universität Rostock und des IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik unter der Leitung von Prof. Amelie Hagelauer, Prof. Marc Reichenbach und Prof. Christian Wenger entwickeln strahlungsresistente RRAM-basierte Speicherzellen und bauen dabei auf den Ergebnissen des früheren MIMEC-Projekts auf.

Erste Chip-Prototypen, die Transistoren mit geschlossenem Layout (ELTs) mit RRAM-Bauelementen kombinieren, wurden bereits am IHP hergestellt. Diese Zellen werden mehrstufigen Tests auf Gesamtionisierungsdosis (TID), Einzelereigniseffekte (SEE) und extreme Temperaturen unterzogen. Könnte der Speicher diesen harten Bedingungen standhalten und gleichzeitig energieeffizient bleiben? Das ist eine der zentralen Fragen, die LEOMEM beantworten möchte.

Auf Systemebene fließen Verhaltensdaten der Geräte in ein Design-Framework ein, um sichere und adaptive Speicherarchitekturen zu erforschen. Adaptive Fehlerkorrekturcodes arbeiten neben analoger Steuerung, digitalen Schnittstellen und Controllern in einem vollständig integrierten ASIC-Prototyp. Das ultimative Ziel ist ein Speichersystem, das auf Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Leistung bei Weltraummissionen optimiert ist und den Weg für die nächste Generation des In-Memory-Computing jenseits der Erde ebnet.

Wie können elektronische Schaltkreise flexibel genug werden, um Sensoren in der Robotik, tragbaren medizinischen Geräten oder intelligenten Systemen zu umschließen? Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg unter der Leitung von Prof. Jasmin Aghassi-Hagmann und Prof. Nima Taherinejad untersuchen diese Frage im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms MemrisTec. Das seit 2025 von der DFG geförderte Projekt PrintMEM entwickelt die Technologie gedruckter Memristoren weiter und zielt darauf ab, leistungsstarkes In-Memory-Computing direkt in flexible und stromsparende Geräte zu integrieren.

Das Herzstück von PrintMEM sind anorganische Memristoren aus Metalloxiden mit Partikelbeimischungen, die sorgfältig entwickelt wurden, um die Variabilität zwischen den Komponenten zu reduzieren. Diese winzigen Bauelemente können Zustände in nur 100 Nanosekunden wechseln – mehrere Größenordnungen schneller als herkömmliche gedruckte Dünnschichttransistoren. Doch Geschwindigkeit ist nur ein Aspekt. Die Forscher untersuchen verschiedene Schaltungsarchitekturen – darunter IMPLY, MAGIG, FELIX OR und SIXOR – und kombinieren diese zu funktionalen Untereinheiten wie Sortierschaltungen.

Das Projekt umfasst die gesamte Entwicklungskette, von der Geräteherstellung und Verhaltensmodellierung bis hin zu Dauertests und Schaltungsdesign. Durch die Integration dieser Bausteine ​​in gedruckte Logikkomponenten will PrintMEM energieeffiziente, zuverlässige und skalierbare Elektronik für flexible Sensoren, Robotik und medizinische Anwendungen entwickeln. Könnte diese Technologie die Integration von Rechenleistung in Geräte der nächsten Generation neu definieren? Indem PrintMEM die Grenzen druckbarer anorganischer Elektronik erweitert, eröffnet es den Weg zu hochgradig anpassungsfähigen und leistungsstarken Edge-Computing-Systemen.

In einer Zeit stetig steigender Rechenleistungsanforderungen untersucht das Projekt MuCoRe, wie ein einzelner Chip mehrere Hardwarekonfigurationen gleichzeitig verarbeiten kann. Forscher der Universität Rostock und des Leibniz-Instituts für innovative Mikroelektronik (IHP) unter der Leitung von Prof. Marc Reichenbach und Prof. Christian Wenger entwickeln im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms MemrisTec Multikontext-FPGAs (MC-FPGAs) mit Multi-Bit-Resistive-RAM-Zellen (RRAM). Das ab 2025 von der DFG geförderte Projekt zielt darauf ab, die Geschwindigkeit und Flexibilität von FPGAs mit der Effizienz und Dichte memristiver Speicher zu kombinieren.

Das Herzstück von MuCoRe ist die Multi-Level-Fähigkeit von RRAM-Zellen. Jede Zelle kann acht Zustände speichern, unterstützt bis zu drei Hardwarekonfigurationen pro Zelle und reduziert den Flächen- und Energiebedarf im Vergleich zu herkömmlichen SRAM-basierten Designs drastisch. Spezialisierte Analog-Digital-Wandler (ADCs) ermöglichen eine zuverlässige und energieeffiziente Datenauslesung, und die nichtflüchtige Natur des RRAM macht die Wartung inaktiver Konfigurationen überflüssig.

Über einzelne Komponenten hinaus verfolgt MuCoRe einen systemweiten Ansatz. Das Team nutzt Open-Source-Tools und iterative Designmethoden, um kritische Kennzahlen wie Fläche, Stromverbrauch und Leistung zu bewerten. Durch die Kombination von analogem memristivem Speicher mit digitaler FPGA-Logik entsteht eine flexible und energieeffiziente Computerplattform. Im Erfolgsfall könnte MuCoRe den Aufbau rekonfigurierbarer digitaler Systeme neu definieren und schnellere, anpassungsfähigere Hardware für Anwendungen der nächsten Generation bereitstellen.

Wissenschaft kennt kein Geschlecht, und wir glauben, dass vielfältige Perspektiven für die Förderung von Innovationen und die Lösung der dringendsten Herausforderungen der Welt unerlässlich sind. MemrisTec hat es sich zur Aufgabe gemacht, Wissenschaftler:innen aller Geschlechter die Möglichkeit zu geben, zu forschen, zu lernen und die Zukunft der Informatik zu gestalten.

💡 An alle jungen Frauen da draußen, die von einer Karriere im Bereich STEAM träumen: Ihr gehört in die Wissenschaft, und eure Beiträge werden die Welt verändern.

Lassen Sie uns gemeinsam dafür sorgen, dass jedes Mädchen weiß, dass sie eine Wissenschaftlerin, eine Innovatorin und eine Führungspersönlichkeit auf ihrem Gebiet sein kann. 🌱✨

Viele Akteure des Schwerpunktprogramms MemrisTec besuchten die 7th International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems (MEMRISYS 2024), die in Seoul (Korea) vom 10. bis 13. November 2024 stattfand.

Einen besonderen Erfolg gab es mit dem Best Poster Award für Richard Schroedter, der das Poster „An ErMnO3 memristive spiking neuristor“ präsentierte. Zum Team der Co-Author:innen gehören Ahmet Şamil Demirkol, Rong Wu, Catherine Dubourdieu und Ronald Tetzlaff.

Die MemrisTec-Mitglieder Ilia Valov und John Paul Strachan (beide vom FZ Jülich) wurden von der Nature-Redaktion ausgewählt, auf der zweiten Nature Conference on Neuromorphic Computing im Shangri-La Beijing, China, vom 13. Oktober 2024 bis 16. Oktober 2024 zu sprechen.

5 Jahre nach der 1. Konferenz werden sie mit einem interdisziplinären Publikum darüber diskutieren, wie man effizientere und intelligentere Rechensysteme schaffen kann. Unter den weiteren Referenten ist auch ein Mitglied des MemrisTec International Advisory Committee, Wei Lu von der University of Michigan, USA.