Material-Inspirierte Pfade

Pfad A: Silizium-Nanodrähte

Dieser Pfad folgt am ehesten einem konventionellen Ansatz, nämlich die Vorteile von Silizium zu nutzen. Jedoch gehen die potentiellen elektronischen Eigenschaften dieser Nanodrähte weit über herkömmliche siliziumbasierte Technologien hinaus. Neben den sehr vorteilhaften elektronischen Eigenschaften können Silizium-Nanodrähte derart konfiguriert werden, dass sie dynamisch zwischen p- und n-Typ-Transistoren wechseln können. So könnten komplexe Funktionalitäten mit wesentlich weniger Bauelementen realisiert werden. In diesem Zusammenhang sollen auch neuartige und fehlertolerante Computeralgorithmen erforscht werden, die diese Mehrfachfunktionalität der Transistoren ausnutzen. Darüber hinaus werden die Silizium-Nanodrähte als selektive Sensorplattform für Biomoleküle untersucht, was ein völlig neues Anwendungsfeld eröffnen würde.

Pfad B: Kohlenstoff

Kohlenstoff ist ein hervorragender Kandidat, um die Elektronik über ihre derzeitigen Grenzen hinaus voranzubringen. In diesem Pfad werden  Kohlenstoff-Nanoröhrchen untersucht, da diese die derzeit fortschrittlichste Form von Kohlenstoff für den Einsatz in elektronischen Systemen darstellt. Als Hauptanwendungsfeld wird dabei die drahtlose Kommunikation betrachtet. Basierend auf den Erkenntissen über Kohlenstoff-Nanoröhrchen soll in einem späterem Stadium auch das Wissen über andere kohlenstoffbasierte Strukturen wie bspw. Graphene erweitert werden.

Pfad C: Organische/Polymer-Materialien

Organische Materialien werden bereits sehr erfolgreich in Displays eingesetzt, basierend auf organischen, Licht-emittierenden Dioden (OLED). Beim Einsatz organischer Elektronik in der Informationsverarbeitung gibt es jedoch immer noch viele Schwierigkeiten. Trotz ihrer Nachteile gegenüber CMOS in Bezug auf z.B. Geschwindigkeit könnte organische Elektronik aber ganz neue Anwendungen ermöglichen, wie z.B. in der Kleidung integrierte Elektronik, und dies zu sehr niedrigen Kosten. Das Ziel des Organischen/Polymer-Pfades ist es, die wesentlichen Einschränkungen der organischen Elektronik zu überwinden und damit Voraussetzungen für neue organische Informationsverarbeitungssysteme zu schaffen. 

Pfad D: Biomolekular-Assemblierte Schaltkreise

Dieser Pfad verfolgt einen eher unkonventionellen Ansatz. Komplexe biomolekulare Strukturen sollen als Strukturierungsvorlage für Metallisierung und Funktionalisierung dienen. Mittels biomolekularer Nanostrukturen, wie sie bspw. beim sog. DNA-Origami entstehen, können qualitativ hochwertige Induktivitäten und andere 3D-Schaltkreiselemente realisiert werden, welche mit der herkömmlichen planaren Siliziumtechnologie nicht oder nur sehr umständlich erzeugt werden können. Durch die Fähigkeit der Selbstassemblierung könnten diese Strukturen kostengünstig und hochparallel erzeugt werden. Zusammen mit siliziumbasierter Elektronik könnten damit große Qualitätssprünge ermöglicht werden.

Pfad E: Chemische Informationsverarbeitung

Dieser Pfad nutzt die chemischen Eigenschaften von Stoffen (Zusammensetzung, physikalischer Zustand, Konzentration, etc.) als Träger von Informationen und verfolgt damit ebenfalls einen exotischen Weg. Dabei wird chemische Information in einer steuerbaren, integrierten, massiv parallelen und mikrofluiden Umgebung mit verschiedenen funktionalen Elementen verarbeitet. Bei einer Integration mit CMOS hat diese Technologie das Potential, viele Prozesse zu revolutionieren, die Rückkopplungsschleifen von chemischer Information beinhalten (z.B. die Synthese von Stoffen mit bestimmten Eigenschaften), die heutzutage immer noch langsam und manuell ablaufen. Somit könnten wiederum völlig neue Anwendungsgebiete erschlossen werden.

SystemOrientierte Pfade

Das Ziel der drei Systemorientierten Pfade ist es, aus der Perspektive des Gesamtsystems der Informationsverarbeitung die von den Material-inspirierten Pfaden entwickelten Lösungen zusammen mit CMOS in zukünftigen heterogenen Systemen zu integrieren und hoch-effiziente Informationsverarbeitung zu ermöglichen.

Pfad F: Heterogene Adaptive Systeme

Die zukünftigen Technologien der Material-inspirierten Pfade werden zu erweiterten CMOS-Systemen führen, die Komponenten mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften vereinen und damit das Potential in sich bergen, die Elektronik insgesamt zu revolutionieren. Eine schnelle und effiziente Implementierung dieser sehr heterogenen Systeme vorzubereiten, ist die Aufgabe dieses Pfades. Sein Ziel ist es, die automatische Anpassung von Anwendungen und der zugrundeliegenden Software an neue heterogene CMOS- und erweiterte CMOS-Systeme mit minimalen (idealerweise keinen) manuellen Änderungen zu ermöglichen und dabei insbesondere die Vorteile der neuen Technologien aufgrund zusätzlicher Komplexität nicht einzubüßen. 

Pfad G: Ausfallsicherheit/Zuverlässigkeit

Bereits heute führen Zuverlässigkeitsprobleme zu abnehmenden Leistungsgewinnen beim Übergang zu kleineren CMOS-Transistor-Gate-Breiten. Bald werden die Kosten traditioneller Zuverlässigkeitsmechanismen den Gewinn beim Übergang zu einer neuen CMOS-Technologie fast vollständig aufwiegen. Das Ziel dieses Pfades ist es daher, die erforderlichen Aufwände für Zuverlässigkeit so niedrig wie möglich zu halten, indem flexible, anwendungsspezifische und adaptive Zuverlässigkeitmechanismen entwickelt werden. Forschungsgegenstand ist also die zuverlässige Informationsverarbeitung mit unzuverlässigen Komponenten unter Berücksichtigung der absehbaren Heterogenität zukünftiger Systeme und der Fehlercharakteristik der neuen material-inspirierten Technologien.

Pfad H: SFB 912 "HAEC - Highly Adaptive Energy-Efficient Computing"

Der DFG Sonderforschungsbereich (SFB 912) "Highly Adaptive Energy-Efficient Computing (HAEC)" ergänzt dieses Exzellenzcluster als Pfad H. In HAEC liegt der Fokus auf großen Multi-Chip-Rechnerplattformen mit völlig neuartigen drahtlosen und optischen Verbindungen zwischen Chips und auf Hardware/Software-Anpassungsmethoden für eine neue Qualität des energieeffizienten Rechnens. Die hier gewonnenen Erkenntnisse können großen Einfluß auf die anderen systemorientierten Pfade haben und werden so in einen wesentlich weiteren Kontext gestellt.  Bspw. könnten neue Bauelemente aus den Material-inspirierten Pfade in die im HAEC geplante Rechnerplattform integriert werden. Daher ist der SFB wissenschaftlich mit cfAED verbunden, jedoch organisatorisch unabhängig (siehe SFB 912).

Inspirationspfad

Pfad I: Biologische Systeme

Schließlich ist es das Ziel dieses Pfades, neue theoretische Ansätze zum besseren Verständnis des oft überraschenden Verhaltens biologischer Systeme anzuwenden. Die Motivation für die Beschäftigung mit der Informationsverarbeitung biologischer Systeme ergibt sich aus der Fragestellung, ob die Biologie interessante Lösungen für technische Informationsverarbeitung liefern kann. In enger Kooperation von Ingenieuren und Biologen sollen ausgewählte Teile biologischer Systeme analysiert werden. Dadurch trägt dieser Pfad das Potential, in allen anderen Pfade neue Lösungen zu inspirieren, insbesondere auf dem Level der Schaltungen und der Informationsverarbeitung.