Fraunhofer: Rechenzentrumsenergieverbrauch senken – Fraunhofer: Reducing data center energy consumption

Ein Deutsch-taiwanesisches Forschungsprojekt entwickelt eine Technologie, die den den Energiebedarf von Rechenzentren reduzieren kann.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS), das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) und das Taiwan Semiconductor Research Institute (TSRI) entwickeln gemeinsam eine Speichertechnologie für Chiptechnologien unter 3 Nanometer. Die Besonderheit: Rechenoperationen sollen künftig direkt im Speicher stattfinden können.

Ferroelektrische Transistoren als Grundlage

Die Technologie basiert auf ferroelektrischen Feldeffekttransistoren (FeFETs) mit Hafniumoxid. Diese Bauelemente nutzen dünne Hafniumoxid-Schichten, die sich in moderne Halbleiterprozesse integrieren lassen. Im Gegensatz zu resistiven Speicherlösungen arbeiten die Transistoren kapazitiv und verbrauchen in eingebetteten Systemen bis zu 100-mal weniger Energie als vergleichbare nichtflüchtige Speicher.

„Wir entwickeln eine Plattform, die Speichertechnologie und Rechenleistung enger miteinander verknüpft“, erklärt Dr. Maximilian Lederer vom Fraunhofer IPMS. Die Architektur ermöglicht es, Daten dort zu verarbeiten, wo sie gespeichert sind, statt sie zwischen verschiedenen Komponenten hin- und herzutransportieren.

Anwendungen von Smartphones bis Medizintechnik

Das Projekt zielt auf die Einrichtung einer 300-Millimeter-Forschungslinie ab. Die Speichertechnologie soll nicht nur für Consumer-Anwendungen, sondern auch für die Automobil-, Industrie- und Medizintechnik entwickelt werden. Die Nanosheet-Bauelemente könnten in verschiedenen Geräten zum Einsatz kommen, von Smartphones über Fahrzeuge bis zu medizinischen Geräten.

Dr. Chien-Nan Liu, Direktor des Taiwan Semiconductor Research Institute, betont die Bedeutung der internationalen Zusammenarbeit: „Die Kooperation vereint Kompetenzen von der Materialentwicklung über die Charakterisierung bis zu Bauelementarchitekturen.“ Die Partner bringen unterschiedliche Expertisen ein, um die Technologie zur Marktreife zu entwickeln.

Die Forschungsarbeiten richten sich an den Anforderungen des neuromorphen Computing aus, bei dem Computersysteme nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns arbeiten. Solche Systeme benötigen schnellen Zugriff auf große Datenmengen bei möglichst geringem Energieaufwand.

The Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (IPMS), the Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems (IMWS), and the Taiwan Semiconductor Research Institute (TSRI) are jointly developing a memory technology for chip technologies below 3 nanometers. The special feature: in the future, computing operations will be able to take place directly in the memory.

Ferroelectric transistors form the basis

The technology is based on ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) with hafnium oxide. These components use thin hafnium oxide layers that can be integrated into modern semiconductor processes. Unlike resistive memory solutions, the transistors operate capacitively and consume up to 100 times less energy in embedded systems than comparable non-volatile memories.

“We are developing a platform that links storage technology and computing power more closely,” explains Dr. Maximilian Lederer from Fraunhofer IPMS. The architecture makes it possible to process data where it is stored instead of transporting it back and forth between different components.

Applications from smartphones to medical technology

The project aims to establish a 300-millimeter research line. The storage technology is to be developed not only for consumer applications, but also for automotive, industrial, and medical technology. The nanosheet components could be used in various devices, from smartphones to vehicles to medical devices.

Dr. Chien-Nan Liu, Director of the Taiwan Semiconductor Research Institute, emphasizes the importance of international cooperation: “The collaboration combines expertise ranging from material development and characterization to component architectures.” The partners contribute different areas of expertise to develop the technology to market maturity.
The research is geared toward the requirements of neuromorphic computing, in which computer systems operate on the model of the human brain. Such systems require fast access to large amounts of data with as little energy consumption as possible.