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IFF-Ferienschule: Der Nachwuchs forscht im FZJ

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Elektrischen Widerstand memristiver Materialien vermessen Forscher zum Beispiel mittels Rastersondenmikroskopie. Foto: Thomas Pössinger

Jülich. „Memristive Phänomene – von den physikalischen Grundlagen bis hin zu neuromorphem Rechnen“ lautet das Thema der 47. IFF-Ferienschule, die im Forschungszentrum Jülich noch bis zum 4. März läuft.

Von diesem aktuellen Forschungsgebiet erwarten Wissenschaft und Industrie weltweit große Fortschritte für die digitale Informationsverarbeitung. Rund 260 Nachwuchsforscherinnen und -forscher aus 35 Ländern erforschen die theoretischen und experimentellen Grundlagen des Fachs.

Im Mittelpunkt der 47. IFF-Ferienschule stehen nanoelektronische Materialien, mit denen sich digitale Informationen einmal energieeffizienter und platzsparender als heute und dabei schnell und nichtflüchtig speichern lassen sollen. Heutige Speicher erfüllen nie alle diese Forderungen zugleich. So sichern etwa Flash-Speicher und Festplatten Daten dauerhaft auch ohne Strom, jedoch sind sie relativ langsam. Herkömmliche dynamische Arbeitsspeicher (DRAM) in Computern arbeiten viel schneller, doch bei einem Stromausfall gehen darauf gespeicherte Daten verloren. Deshalb arbeiten Forscher aus Wissenschaft und Industrie auf der ganzen Welt an neuen Arten von Datenspeichern, die auf memristiven Phänomenen basieren, wie etwa redox-basierten ReRAM-Speichern (ReRAM = Resistance Random Access Memory).

Memristive Zellen speichern die beiden Grundelemente aller Computer­sprachen, die Null und die Eins, und auch Zwischenwerte auf eine vollkommen andere Weise als eine Festplatte, ein DRAM oder ein Flash-Speicher. Bei der Festplatte befindet sich die Information auf der magnetischen Schicht einer rotierenden Scheibe, während DRAM und Flash-Speicher die Bits in Form von elektrischen Ladungen auf Kondensatoren oder Transistoren festhalten. Ein memristives Element dagegen merkt sich ein Bit mit Hilfe seines elektrischen Widerstandes, der zwischen hohen und niedrigen Werten schaltbar ist – und behält seinen Zustand selbst dann, wenn keine äußere Spannung mehr anliegt. Diese Eigenschaft ist der Ursprung des Begriffs „memristive“– eine Kombination der englischen Bezeichnungen für Speicher (Memory) und Widerstand (Resistance).

„Prinzipiell sollten ReRAMs in der Lage sein, Daten auf noch viel engerem Raum zu speichern als Flash-Speicher und auch mit deutlich weniger Strom auszukommen“, sagt Prof. Rainer Waser, der die diesjährige Ferienschule gemeinsam mit Prof. Dr. Matthias Wuttig von der RWTH Aachen leitet. „Obwohl erste memristive Bauelemente inzwischen schon industriell genutzt werden, sind weiterhin grundlegende Untersuchungen nötig, um etwa ihre Langlebigkeit und ihre Schaltgeschwindigkeit zu verbessern“, weiß Waser.

Die Ferienschule spannt einen interdisziplinären Bogen von den theoretischen und experimentellen physikalischen Grundlagen des Forschungsgebiets über moderne analytische Methoden bis zu aktuellen Forschungsergebnissen und -projekten. Renommierte Experten des Gebiets aus Jülich, Aachen und weiteren deutschen und europäischen Forschungsinstitutionen halten während der Ferienschule rund 50 Stunden Vorlesungen zu dem Thema. Campustouren ermöglichen dem Nachwuchs, auch experimentelle Einrichtungen verwandter Fachrichtungen kennenzulernen.

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