Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Bei einer zunehmenden Anzahl von Technologien und Anwendungen, wie der Berechnung von Verkehrsflüssen und Produktionslinien, der Simulation chemischer Prozesse, z. B. zur Entwicklung neuer Medikamente oder leistungsfähiger Batterien für die Elektromobilität stoßen herkömmliche Mikroprozessoren an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Für die dafür notwendigen Prozesse wie das maschinelle Lernen, die Edge-Datenverarbeitung oder die Optimierung komplexer Systeme sind neuartige Rechentechnologien, das »Next Generation Computing«, notwendig. Das Quantum-Neuro-Computing bildet die wesentliche Grundlage für die Entwicklung dieser Technologien.
Zum Ausbau und Bündelung der Mikroelektronik-Forschungsstrukturen in Deutschland starteten die 13 Institute der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) mit den vier Fraunhofer-Instituten IMWS, IOF, IPM und ILT, dem Forschungszentrum Jülich und der AMO GmbH am 1. Dezember 2022 ein gemeinsames Vorhaben: Die »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland – Modul Quanten- und neuromorphes Computing«, kurz FMD-QNC. Das Vorhaben soll die mikroelektronische Forschung und Entwicklung für neuartige Rechentechnologien wie Quanten- und neuromorphes Computing vorantreiben und deren Transfer in die industrielle Anwendung beschleunigen.
Das Fraunhofer IMWS bringt in dieses Vorhaben seine Kernkompetenzen in der Mikrostrukturdiagnostik und dem mikrostrukturbasierten Design neuer Materialien ein. Das Institut konzentriert sich dabei auf die nanostrukturbasierte Prozesscharakterisierung und Fehlerdiagnostik der QNC-Halbleiterstrukturen und -Bauelemente, einschließlich der mikroelektronischen Ansteuerelektronik und der Aufbau- und Verbindungstechnik.
Hierbei wird hochauflösende, aberrationskorrigierte, analytische (S)TEM der neusten Generation zur Anwendung kommen. Diese Art der Elektronenmikroskopie erlaubt einen gezielten Blick bis in die atomare Mikrostruktur der komplexen nanoskaligen QNC-Funktionsstrukturen und Kontaktierungsgrenzflächen. Dabei sollen auch Einzelatome geortet, schwingungsspektroskopisch charakterisiert, Isotope diskriminiert, kritische Wachstumsdefekte auf atomarer Skala untersucht und Bindungszustände analysiert werden. So können morphologische Aspekte (Dimensionalität, Formtreue etc.), Elementverteilungen und prozessbedingte Kontaminationen untersucht und technologische Schwachstellen und Zuverlässigkeitsrisiken frühzeitig identifiziert werden, wodurch sich die Entwicklungszeit von QNC-Bauelementen deutlich verkürzt.
Das Vorhaben FMD-QNC wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert und wird auf europäischer Ebene durch das Projekt »PREVAIL«, das zeitgleich startet, ergänzt. In letzterem Projekt arbeiten die vier Forschungsorganisationen CEA-Leti, die Fraunhofer-Gesellschaft, imec und VTT zusammen, um eine vernetzte 300-mm-Technologie-Plattform zur Herstellung von Chip-Prototypen für fortschrittliche Anwendungen der Künstlichen Intelligenz und des neuromorphen Computing zu schaffen.
Die geplanten Projektaktivitäten innerhalb von »PREVAIL« und »FMD-QNC« werden synergetisch vernetzt und sind wichtige Vorbereitungen für das technologische Fundament des »European Chips Act«.