NeuroSys

Neuromorphe Hardware als Basis für technologische Unabhängigkeit bei künstlicher Intelligenz

Der Zukunftscluster NeuroSys sieht seine Aufgabe in der Entwicklung einer eigenen technologischen Vision der künstlichen Intelligenz in Deutschland, um in Wirtschaft, Sicherheit und Ethik an der Spitze zu bleiben. Hierzu möchten die Akteure ein wettbewerbsfähiges wissenschaftliches und wirtschaftliches Ökosystem im Großraum Aachen schaffen.

Die KI wird durch ein Netzwerk von Punkten mit der Form eines Gehirns dargestellt. Diese neuromorphe Form geht aus der schematischen Darstellung eines Chips hervor. Als Hintergrund: ein
Künstlerische Interpretation zukünftiger künstlicher Intelligenz, die aus innovativer Hardware entsteht. Quelle: © AMO GmbH

Was macht den Zukunftscluster aus?

Mit der Erforschung künstlicher neuronaler Netze geht NeuroSys neue Wege in der Erschaffung von Rechnerarchitekturen, die in verschiedensten Anwendungsbereichen eingesetzt werden können, darunter Autonomes Fahren, Autonome/Lernende Systeme, Personalisierte Medizin, Sprachtechnologie und Energie. Neuromorphe Hardwarekomponenten sind den hochgradig vernetzten Neuronen und Synapsen des menschlichen Gehirns nachempfunden und können künstlich geschaffene neuronale Netze bilden. Hier sind Logik und Speicher nicht mehr voneinander getrennt. So wird eine massive Parallelisierung ermöglicht und damit der energieintensive und zeitaufwendige Datentransfer in heutigen Computern vermieden. Neuronale Netze werden im Bereich Künstliche Intelligenz (KI) z. B. für die Bild- oder Spracherkennung genutzt, die dadurch deutlich schneller werden.

Welche Vorteile bringt der Ansatz für den Innovationsstandort Deutschland?

Die Erforschung lernfähiger und energieeffizienter neuromorpher KI-Chips wird eine intelligente und ressourcenschonende Vor-Ort-Datenverarbeitung erlauben und damit eine wesentliche Voraussetzung schaffen für zukünftige Arbeitsweisen, Smart-City-Konzepte sowie das Internet of Things. Gleichzeitig werden entscheidende Beiträge vom Autonomen Fahren über Lernende Systemen bis hin zu Personalisierter Medizin geliefert.

Weitere Hintergrundinformationen

Das Ziel von NeuroSys ist es, die Region Aachen als weltweit führenden Standort für Forschung, Entwicklung und Innovation in neuromorpher Hardware für Künstliche Intelligenz (KI) zu etablieren. Dafür werden in der Region alle Kompetenzen und Infrastrukturen gebündelt, die für die Entwicklung zukünftiger europäischer KI-Hardware benötigt werden. Die langfristige Vision ist die technologische Unabhängigkeit Europas in diesem ethisch und wirtschaftlich sensiblen Bereich.

KI dominiert als Software bereits Bereiche wie Computer Vision und Sprachverarbeitung. Allerdings werden innovative neue Hardware-Konzepte gebraucht, um Anwendungen wie autonomes Fahren, personalisierte Gesundheitsversorgung, intelligente Städte, das Internet der Dinge und Wirtschaft 4.0 effizient realisieren zu können. Herkömmliche Computerhardware stößt bei KI Anwendungen zunehmend an inhärente Grenzen der Energieeffizienz. NeuroSys überwindet diese Grenzen durch die Entwicklung von neuro-inspirierter Hardware, um einen Sprung in der Energieeffizienz zu ermöglichen.

Im Zukunftscluster NeuroSys trifft ein breites Spektrum von Fachwissen zusammen: Physik, Material- und Neurowissenschaften, Ingenieurswesen und Informatik decken die technischen Fragestellungen ab, zusammen mit den Wirtschaftswissenschaften kreieren sie Innovationen, während Experten aus Ethik und Soziologie die Brücke in die Gesellschaft und die Politik schlagen. Die RWTH Aachen als Keimzelle arbeitet dabei mit dem Forschungszentrum Jülich, einem Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, und einem Institut der Johannes-Rau-Forschungsgemeinschaft, der AMO gGmbH, eng zusammen. Weitere Unternehmen sollen den Cluster perspektivisch ergänzen.

Die Vision des Zukunftscluster NeuroSys baut auf exzellenter Grundlagenforschung der beteiligten Partner in drei technologischen Säulen auf: Materialien, elektronische Bauelemente und neuromorphes Rechnen. Internationale Sichtbarkeit erlangten die Partner dank exzellenter grundlegender Ergebnisse auf den Gebieten der Phasenwechselmaterialien und resistivem Speicher (DFG Sonderforschungsbereich 917 „NanoSwitches“), sowie dem Bereich „Graphen und 2D-Materialien“ mit mehreren zugehörigen ERC Grants.

Zweitens wird die Expertise der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der RWTH Aachen im Schaltungs- und Systementwurf eingebracht, insbesondere in der Entwicklung von Werkzeugen und Methoden für das Co-Design von Hard- und Software - ein Know-how, welches entscheidend sein wird, um die Möglichkeiten der neuen neuromorphen Bauelemente zu testen und bestmöglich zu nutzen. NeuroSys deckt Digital-, Analog- und photonisches Design ab, einschließlich einem ERC Grant.

Drittens existieren exzellente Ergebnisse der RWTH Forscher aus den Bereichen Computer Vision, Verarbeitung natürlicher Sprache und medizinischer Informationstechnologie, einschließlich der Entwicklung und Anwendung der KI für die persönliche Gesundheitsversorgung. Auch in diesem Bereich sind mehrere ERC Grant Halter beteiligt.

Übergreifend baut NeuroSys auf die Expertise des Humantechnologiezentrum der RWTH Aachen, welches zu den ethischen Aspekten der künstlichen Intelligenz, inklusive Autonomie und Verantwortung forscht. RWTH REVIERa und RWTH Innovation befassen sich mit Strukturwandel, Technologietransfer und Ausgründungen.

Aktuell bewilligte Projekte und darin geförderte Partner:

KI-anwendungsspezifische Technologiereifung memristiver Bauteile (Projekt A)

  • aixACCT Systems GmbH
  • AIXTRON SE
  • AMOtronics UG (haftungsbeschränkt)
  • Forschungszentrum Jülich GmbH (Peter Grünberg Institut (PGI) - Elektronische Materialien)
  • Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung - AMO GmbH
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente)

Metrologie für memristive Materialien (Projekt A.2)

  • Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung - AMO GmbH
  • Raith GmbH

Skalierbare Opto-Elektronische KI Hardware (Projekt B.1)

  • aiXscale Photonics GmbH
  • Forschungszentrum Jülich GmbH (Peter Grünberg Institut (PGI) - Elektronische Materialien)
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Lehrstuhl für Integrierte Photonik)

Integrierte photonische neuromorphe Schaltkreise mit ultra-skalierten Graphen-Phasenmodulatoren (Projekt B.2)

  • Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung - AMO GmbH

Hardware-Algorithmen Ko-Entwurf (Projekt C)

  • Forschungszentrum Jülich GmbH (Peter Grünberg Institut - Neuromorphic Compute Nodes (PGI-14))
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Lehrstuhl für Integrierte Digitale Systeme und Schaltungsentwurf (IDS))

 

Effiziente KI-Methoden für neuromorphes Comupting in der Praxis (Projekt D)

  • Applications Technology - Apptek GmbH
  • EdgeWave GmbH
  • Gremse-IT GmbH
  • ignite AI GmbH
  • InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Lehrstuhl für Informationstheorie und Datenanalytik (INDA))
  • STAR Healthcare Management GmbH

Transferorientierte Gestaltung von Innovationsökosystemen und Geschäftsmodellentwicklung (Projekt E)

  • Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung - AMO GmbH
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Lehrstuhl für Controlling)

Bewilligte Projekte und darin geförderte Partner:

Memristor Crossbar Architekturen (Projekt A)

  • AixACCT Systems GmbH
  • AIXTRON SE
  • Forschungszentrum Jülich (Elektronische Materialien/PGI-7; JARA-Institute Green IT/PGI-10)
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente/ELD, Technologie der Verbindungshalbleiter/CST, Werkstoffe der Elektrotechnik II/IWE-2)

 
Skalierbare Photonische Neuromorphe Schaltkreise (Projekt B)

  • aiXscale Photonics UG
  • Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung - AMO GmbH
  • Black Semiconductor GmbH
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (I. Physikalisches Institut/IA, Lehrstuhl für Integrierte Photonik/IPH)

 
Algorithm-Hardware Co-Design (Projekt C)

  • Forschungszentrum Jülich (Institut für Neurowissenschaften und Medizin/INM-6; Neuromorphic Compute Nodes/PGI-14; Neuromorphic Software Ecosystem/PGI-15)
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Höchstfrequenzelekronik/HFE, Integrierte Analogschaltungen/IAS, Integrierte Digitale Systeme/IDS, Software für Systeme auf Silizium/SSS)

 
Impulse durch Anwendungen (Projekt D)

  • Applications Technology - Apptek GmbH
  • Clinomic GmbH
  • Gremse-IT GmbH
  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Lehr- und Forschungsgebiet für Informationstheorie und Systematischer Entwurf von Kommunikationssystemen/ISEK, Lehrstuhl Informatik 6: Human Language Technology and Pattern Recognition/HLTPR, Lehrstuhl Informatik 13: Computer Vision/CVG, Medizinische Informationstechnik/MedIT)
  • STAR Healthcare Management GmbH

 
Innovationsprozesse und Geschäftsmodellentwicklung (Projekt E)

  • Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Lehr- und Forschungsgebiet Angewandte Ethik/Ethics, Lehrstuhl für Controlling/Controlling, Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente/ELD, Lehrstuhl für Technik und Gesellschaft/SoTec)
  • RWTH Innovation GmbH

Die Hauptaufgabe der Konzeptionsphase ist die Ausarbeitung des Zukunftsclusterkonzepts und dessen Verankerung in der regionalen Forschungs- und Entwicklungslandschaft. Weiterhin werden in dieser Phase Synergien zwischen den Forschungsgruppen herausgearbeitet, um zu einer klaren Definition von Forschungsprojekten zu kommen. Dazu wurde ein Team gebildet, welches neben den Zuwendungsempfängern auch Mitarbeitende des Forschungszentrums Jülich enthält.

Intensive Gespräche mit der RWTH Innovation GmbH und der Wirtschaftsförderung Aachen adressierten Aspekte der Start-Up Förderung sowie der Einbindung der regionalen Wirtschaft bzw. der Ansiedlung neuer Unternehmen. Mit REVIERa, der Transformationsplattform der RWTH zum Wandel im Rheinischen Revier, wurden gesellschaftliche Fragestellungen in das Clusterkonzept integriert und Synergien des Zukunftsclusters mit dem anstehenden Strukturwandel erarbeitet. Ein entscheidender Aspekt war die direkte Beteiligung von Unternehmen am Zukunftscluster. Hierzu sind zahlreiche bilaterale Gespräche vorgesehen.

Auf einen Blick:

  • Projektlaufzeit der Konzeptionsphase: 01.05.2020 bis 31.10.2020
  • Zuwendung des Verbundes: 158.273,38 € (inkl. Projektpauschale)
  • Zuwendungsempfänger: RWTH Aachen University; AMO GmbH
  • Weitere Partner: Forschungszentrum -Jülich; RWTH Innovation GmbH; REVIERa Team der RWTH Aachen (Teil der Exzellenzinitiative); Wirtschaftsförderung der Stadt Aachen