Ontwikkeling van baanbrekende en energiezuinige AI met innovatieve ferro-elektrische technologie

Synergieën en complementaire competenties tussen de ViTFOX-consortia van de EU en Korea. © ETH Zürich / Synergies and complementary competences uniting ViTFOX EU and Korean consortia. © ETH Zürich

Partner in het ViTFOX-projectconsortium. © ETH Zürich / Consortiumpartners in het ViTFOX-project. © ETH Zürich

Wanneer kunstmatige intelligentie (AI) steeds meer wordt toegepast in sectoren zoals de gezondheidszorg, autonoom rijden en slimme steden, stoten traditionele computerarchitecturen op aanzienlijke beperkingen in verwerkingssnelheid en energie-efficiëntie. Het project »ViTFOX« brengt acht partners uit Europa en Korea samen om een baanbrekende Vision-Transformer-architectuur te ontwikkelen op basis van ferroeeloxiden, die een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik en de latentie mogelijk maakt. In tegenstelling tot traditionele architecturen, die vaak op gescheiden geheugen- en verwerkingsunits berusten, streeft ViTFOX ernaar om gegevensverwerking direct in het geheugen te integreren en zo een verbeterde energie-efficiëntie van 50 TOPS/W te bereiken. De Europese Unie subsidieert het project met 1,5 miljoen euro.

Traditionele computerarchitecturen zijn beperkt in het omgaan met de enorme hoeveelheden data die in het huidige digitale landschap ontstaan, zowel qua verwerkingssnelheid als energie-efficiëntie. Neuromorfe systemen, dat wil zeggen systemen die de werking van de menselijke hersenen nabootsen, maken gebruik van gespecialiseerde hardware, zoals ferroeeloxiden, om berekeningen efficiënter uit te voeren en zo realtime verwerking en besluitvorming mogelijk te maken. Deze aanpak verbetert niet alleen de prestaties van AI-toepassingen zoals beeldherkenning en natuurlijke taalverwerking, maar verlaagt ook het energieverbruik, waardoor het een duurzame oplossing vormt voor toekomstige technologieën.

Het ViTFOX-project staat vooraan om AI verder te ontwikkelen door energie-efficiënte neuromorfe rekeningsystemen te creëren. Het hart van het project is de Vision-Transformer (ViT)-architectuur, die complexe AI-berekeningen moet uitvoeren met een lager energieverbruik. Vision Transformers zijn een soort neurale netwerkarchitectuur die visuele gegevens effectiever verwerkt dan traditionele methoden. Het project streeft ernaar een ViT te ontwikkelen die ferroeeloxidematerialen gebruikt om een uitzonderlijke energie-efficiëntie van meer dan 50 TOPS/W te bereiken. Deze drempel is cruciaal voor AI-gestuurde edge-toepassingen. "We willen de grenzen van de huidige technologie verleggen door platforms voor hardware-software co-optimisatie, nieuwe materialen en integratiemethoden te ontwikkelen. Deze kunnen niet alleen de AI-prestaties verbeteren, maar ook een duurzaam energieverbruik garanderen," zegt Prof. Dr. Thomas Kämpfe, projectleider bij het Fraunhofer IPMS, een van de partners in het consortium. "We willen een belangrijke bijdrage leveren aan de halfgeleiderindustrie door zowel de technische uitdagingen van nieuwe geheugentechnologieën aan te pakken als de maatschappelijke behoefte aan efficiënte computersystemen," voegt hij toe.

Samenwerking tussen Europa en Korea om de technologische stand van zaken aanzienlijk te verbeteren

Het ViTFOX-consortium bestaat uit acht partners van vooraanstaande onderzoeksinstellingen, universiteiten en technologische ontwikkelingslaboratoria uit Europa en Korea. Het project heeft tot doel de leidende positie van de EU en Korea op het gebied van silicium-compatibele ferroeeloxide-elektronica op hafniumbasis te versterken. Dit gebied heeft in Europa al veel pionierswerk verricht en wekt nu grote interesse bij Koreaanse onderzoekers. Het project zal de technologie verder ontwikkelen, van materialen en componenten tot de heterogene en monolithische integratie, evenals het ontwerp en de simulatie van ViT-circuits en -systemen. Het is van bijzonder belang omdat het profiteert van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van ferroeeloxiden, met name hafnium-zirkonium-oxide (HZO). Aangezien dit compatibel blijkt te zijn met conventionele siliciumcomponenten, vormt het een veelbelovende aanpak voor het verbeteren van geheugencomponenten en het verminderen van het stroomverbruik.

Drie van de projectdoelen richten zich op de ontwikkeling en productie van de hoofdcomponenten van de ViT. Er wordt gewerkt aan een demonstrator voor compute-in-memory, een schakelingensimulator en een platform voor gezamenlijke hardware- en software-optimisatie met ferroeeloxiden. Het platform zal twee soorten nieuwe geheugens ondersteunen: de in Korea ontwikkelde hoge-dichtheid 3D-FeRAM en de in Europa ontwikkelde epitactische ferroeeloxiden-tunnelverbindingen. De nauwe samenwerking stelt de partners in staat om hun gezamenlijke expertise op het gebied van materiaalkunde, halfgeleidertechnologie en kunstmatige intelligentie te bundelen om de grenzen van dit opkomende vakgebied te verleggen. Meer informatie over de samenwerking is te vinden op de officiële projectwebsite www.vitfox.eu.

Fraunhofer IPMS in het project

Het Fraunhofer IPMS is een belangrijke partner in het ViTFOX-project en brengt zijn uitgebreide expertise in neuromorfe systemen en halfgeleidertechnologie in. Het Fraunhofer IPMS richt zich op de ontwikkeling van geavanceerde materialen en componenten voor neuromorfe computersystemen, met name met gebruik van ferroeeloxiden. Dit omvat het ontwerp en testen van innovatieve ferroeeloxide-tunnelovergangen (FTJ's) en de integratie van deze componenten in functionele prototypes. Door gebruik te maken van zijn ultramoderne cleanroom wil het Fraunhofer IPMS de schaalbaarheid en optimalisatie van ferroeeloxidtechnologieën vergemakkelijken en ervoor zorgen dat deze voldoen aan de strenge eisen voor energie-efficiënte computersystemen.

Projectpartners:

– ETH Zürich
– Silicon Austria Labs
– Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek Demokritos
– Seoul National University
– Hanyang University (Korea)
– Kookmin University
– Soongsil University