Duke Engineering entwickelt Innovationen für recycelbare, gedruckte KI-Hardware

Veröffentlichungsdatum: 25. Juli 2023

Duke Engineering hat die Initiative „Beyond the Horizon“ ins Leben gerufen, um interdisziplinären Teams erhebliche Investitionen zur Verfügung zu stellen, um mit der Verfolgung äußerst risikoreicher und lohnenswerter Projekte zu beginnen, die das Potenzial für tiefgreifende, transformative gesellschaftliche Auswirkungen haben. Für eine erste Finanzierungsrunde wurden sechs Vorschläge ausgewählt, die eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung des zukünftigen Forschungs- und Lehrprofils von Duke Engineering spielen werden. Jeder nutzt die einzigartigen Stärken der Schule aus und verspricht, die Zukunft seines jeweiligen Fachgebiets mitzugestalten. 

Welches Thema sorgt in diesem Moment der Geschichte für mehr Aufsehen als KI? Seine Möglichkeiten – und seine möglichen Auswirkungen auf Privatsphäre, Gerechtigkeit und Arbeit – sind am Forschungshorizont wie eine verschwommene neue Welt aufgetaucht. Während der Antrieb, KI zu erforschen und verantwortungsvolle Anwendungen zu entwickeln, groß ist, ist die Rechenleistung, die zur Unterstützung der sich entwickelnden Technologie erforderlich ist, absolut enorm.

Herkömmliche Fertigungsanlagen verbrauchen viel Energie und Wasser und produzieren eine Menge Elektroschrott. Dieses Verbrauchsniveau, sagte Assistenzprofessorin für Elektrotechnik und Informationstechnik (ECE) Tania Roy, ist nicht nachhaltig.

„Im Moment sind Schaltkreise so energiehungrig, dass wir normalerweise auf Remote-Server zugreifen müssen, die wie Kraftwerke aussehen. Sie müssen auch wie Kraftwerke gekühlt werden“, sagt Roy, der neuartige Halbleiterbauelemente für KI-Anwendungen entwickelt. Roy zitierte Arbeiten von Forschern der UC Riverside, die besagten, dass die US-Rechenzentren von Google im Jahr 2021 12,7 Milliarden Liter Süßwasser verbrauchten – der größte Teil davon sauber und trinkbar. Die gleiche Menge Wasser hätte den Autoren zufolge 5,7 Millionen Elektrofahrzeuge produzieren können.

Neue, kompaktere Hardware würde weniger Energie verbrauchen und weniger Platz beanspruchen. Das ist Teil I der Forschung, die Roy in ihrem Projekt mit dem Titel „Independent Neural Network-Enabled Recyclable AI (INNER-I)“ vorschlägt. Teil II befasst sich mit den tatsächlichen Prozessen zur Herstellung der neuen Hardware, die sowohl erschwinglich als auch recycelbar sein muss, um langfristig nachhaltig zu sein. Ihr Co-PI und Duke ECE-Kollege Yiran Chen wird diese zukünftige Generation effizienter Geräte gemeinsam mit einem anderen entwerfen Duke ECE-Co-PI Aaron Franklin, der Pionier der druckbaren, vollständig recycelbaren Halbleitertechnologie ist. Auch die Mitarbeit an dem Projekt ist möglich Duke-Chemieprofessor Michael Therien, der mit Franklin zusammengearbeitet hat, um die speziellen wasserbasierten Tinten zu entwickeln, die in seinen druckbaren Transistoren verwendet werden.

Duke-Ingenieure erfanden die weltweit erste vollständig recycelbare gedruckte Elektronik, die mit Wasser anstelle giftiger Chemikalien hergestellt werden kann.

Das gewünschte Ergebnis? Gedruckte, recycelbare Geräte, die neuromorphe Schaltkreise verwenden – deren effizientes Design vom menschlichen Gehirn inspiriert ist und schnell genug ist, um die Anforderungen von KI-Anwendungen zu erfüllen – sowie ein erstes Framework für ein KI-System, das durch diese Geräte ermöglicht wird. „Duke wird zum Zentrum für die Herstellung recycelbarer KI-Schaltkreise werden“, prognostizierte Roy. Ihr Ziel ist es, dass ihr neues Zentrum bis zum Ende des ersten Jahres einen Prototyp eines Geräts fertigstellt.

„Es gibt nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, neuromorphe Geräte mit auf Nanomaterialien basierenden Tinten zu drucken, was den Weg für umweltfreundlichere Technologien ebnet“, sagte Franklin. „Wir werden die vielen Optionen durcharbeiten, um zu bestimmen, welche Nanomaterialien, Druckbedingungen und Gerätedesigns die erforderliche Leistung für die Ermöglichung neuromorpher Technologien erbringen.“

Die Idee verspricht nicht nur Nachhaltigkeit, sondern auch Zugänglichkeit.

„Der Grund, warum wir in den USA so wenige Fakultäten haben, die sich auf Geräte konzentrieren, ist, dass die Kosten exorbitant sind“, sagte Roy. „Wir brauchen Zugang zu Reinräumen und hochentwickelter Ausrüstung zur Charakterisierung der von uns hergestellten Geräte. Wenn wir eine Möglichkeit haben, hochwertige Tischelektronik herzustellen, können wir die Forschung und Entwicklung dieser Geräte für jedermann zugänglich machen.“

(C) Duke University

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire