FMD.impuls Ausgabe 4 – Quanten- und neuromorphes Computing

I

II

1

»
Die Tragweite der neuen
Rechnertechnologien für
die Zukunft von Gesellschaft,
Wissenschaft und Wirtschaft
ist heute erst zu erahnen.
Liebe Leserinnen und Leser,
die meisten von Ihnen werden sich noch gut an die Personal Computer
erinnern, die Anfang der 1990er-Jahre in großer Zahl ihren Siegeszug
in die Häuser der Anwenderinnen und Anwender begannen. Schon
einige Jahre später waren die ersten Smartphones um ein Vielfaches
leistungsstärker und energiesparender.
Nun steht der Welt des Computings der nächste disruptive Wandel bevor:
Mit Quantencomputing (QC) und neuromorphem Computing (NC)
gelingt zwei Technologien der Durchbruch, deren enorme Bedeutung
und Tragweite für die Zukunft von Gesellschaft, Wissenschaft und
Wirtschaft heute erst zu erahnen ist.
Diese neuen Rechnertechnologien werden in der Lage sein, bestehende
Probleme schneller und ressourceneffizienter zu lösen und neue
Möglichkeitsräume zu öffnen. Medizin, Materialforschung oder auch
Energie- und Klimatechnologie sind nur einige der Bereiche, in denen
Quanten- und neuromorphes Computing komplett neue und heute undenkbare
Lösungen ermöglichen werden.
2

Der Nachweis über die Realisierbarkeit dieser neuen Technologien ist
erbracht, die ersten Laboraufbauten sind erfolgreich in Betrieb genommen.
Nun geht es darum, die Systeme zu vereinfachen, ihre Leistung zu
steigern und sie so – Stück für Stück – in die industrielle Anwendung zu
überführen.
Wer im Bereich des Computings der nächsten Generation gut aufgestellt
ist, hat einen klaren Wettbewerbsvorteil und ist in der Pole-
Position für die Entwicklung der Technologien der Zukunft. Daher freut
es mich sehr, dass die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland
mit »FMD-QNC« ein großes Verbundsprojekt mit 19 hochspezialisierten
Partnern anführt, das zur Entwicklung der zukünftigen Hardware-Basis
für neuartige Rechentechnologien beiträgt.
In dieser Ausgabe von FMD.impuls möchten wir Ihnen einen Überblick
über die sich dynamisch entwickelnden neuen Computergenerationen
geben, Potenziale aufzeigen und Entwicklungen skizzieren.
Thematisiert werden muss aber auch das größte Risiko: im internationalen
Wettbewerb abgehängt zu werden. Eine konzertierte Förderung
und Entwicklung von maßgeschneiderter Mikroelektronik und skalierbaren
Fertigungs- und Integrationsverfahren für QC und NC ist die
Grundlage für die technologische Souveränität von morgen.
Es ist deshalb entscheidend, dass wir gemeinsam planen und handeln.
Nur in Zusammenarbeit mit Politik und Industrie werden wir uns in
diesem global stark umkämpften Markt behaupten können.
Schon in wenigen Jahren wird die Welt des Computings nicht mehr
wiederzuerkennen sein. Sorgen wir dafür, dass es unsere Ideen sind,
die die Rechentechnologien von morgen prägen!
Prof. Albert Heuberger
Prof. Albert Heuberger ist Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS
und seit Januar 2020 Vorsitzender des Lenkungskreises der Forschungsfabrik Mikroelektronik
Deutschland (FMD) sowie Sprecher des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik.
3

Das Gehirn als Vorbild | Neuromorphic Computing
Neuromorphe Rechenarchitekturen setzen auf biologische Prinzipien
und imitieren die Funktionsweise des menschlichen Gehirns. Die Verarbeitung
von Informationen erfolgt durch künstliche neuronale Netze.
Dafür müssen spezielle neuromorphe Chips entwickelt und für breite
Anwendungsklassen optimiert werden. Diese Chips bilden Neuronen
und deren variable synaptischen Verbindungen künstlich nach; so sind
sie in der Lage »on-the-fly« zu lernen.
Die so erreichte asynchrone und parallele Datenverarbeitung ermöglicht
es, Millionen von Berechnungen gleichzeitig und in Echtzeit auszuführen.
Im Gegensatz zu klassischen Prozessoren, die für den universellen Einsatz
bestimmt sind, sind die Architekturen neuromorpher Chips auf die
Berechnung neuronaler Netze spezialisiert und können somit komplexe
Aufgaben, z. B. im Bereich der Mustererkennung, Sprachverarbeitung
und Künstlicher Intelligenz, extrem schnell und energieeffizient lösen.
Noch stehen neuromorphe Computer vor dem industriellen
Durchbruch und eine gezielte Forschungsarbeit ist essentiell. Die
FMD unterstützt u. a. im Projekt »FMD-QNC« [Seite 10-13] die
Weiterentwicklung der Technologie.
4

Die Online-Ausgabe von FMD.impuls 4 mit Quellenangaben und weiterführenden
Informationen finden Sie durch Scannen des QR-Codes oder auf
https://fmd.one/impuls4
Konkrete Anwendungsszenarien
Fahrzeugumfelderkennung | Neuromorphe Strukturen
befähigen autonome Fahrzeuge, Umgebungen in Echtzeit so
zu analysieren, dass sie direkt auf Gefahren oder Hindernisse
reagieren können.
Medizintechnik | Mit neuromorphen Computern können eine
Vielzahl von medizinischen Daten analysiert und personalisierte
Diagnosen und Behandlungspläne erstellt werden. Es ist außerdem
möglich, Röntgenaufnahmen und CT-Scans auszuwerten,
Muster zu erkennen und Abweichungen zu identifizieren.
Produktion | Neuromorphe Computer können eingesetzt
werden, um Roboter zu steuern und komplexe, menschenähnliche
Aufgaben auszuführen. Auch im Bereich Predictive
Maintenance können Maschinendaten schneller analysiert werden,
um damit Ausfallzeiten und Kosten zu minimieren.
Sicherheit | Um Cyberangriffe zu erkennen und zu bekämpfen,
nutzt neuromorphes Computing die Möglichkeit, Verhaltensmuster
von Angreifern in Echtzeit zu analysieren. Gleichzeitig
kann es effektiv dazu eingesetzt werden, Bilder und Videos
zu beobachten und unbekannte oder gefährliche Objekte zu
identifizieren.
5

Ungeahnte Möglichkeiten durch
Quantencomputing
Quantencomputer basieren auf einer vielversprechenden Technologie,
die sich grundlegend von der klassischer Computer unterscheidet.
Sie nutzen unmittelbar die Prinzipien der Quantenphysik, um Informationen
zu speichern und Berechnungen durchzuführen. Als kleinste
Informationseinheiten dienen dabei sogenannte Qubits.
Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits in einer beliebigen
Superposition von 0 und 1 existieren. Das Prinzip der Superposition
sowie die kontrollierte quantenmechanische Verschränkung von Qubits
in größeren Systemen erlauben es, Berechnungen hochgradig parallelisiert
durchzuführen.
Im Idealfall perfekter Qubit-Systeme wächst die Rechenleistung
exponentiell mit der Anzahl an Qubits. Die Realisierung und Skalierung
universeller und fehlerkorrigierter Quantencomputer wird jedoch noch
viele Jahre an intensiver Forschung und Entwicklung erfordern.
Ein Quantencomputer mit 300 verknüpften Qubits kann somit
2 300 mögliche Zustände gleichzeitig beschreiben und damit eine
größere Zahl gleichzeitig darstellen, als es Atome im bekannten
Universum gibt!
6

Herausforderungen einer disruptiven
Zukunftstechnologie
Das Potenzial von Quantencomputern ist enorm. Die ersten Laboraufbauten
sind erfolgreich im Einsatz. Es ergeben sich aber einige Schwierigkeiten,
die vor einer Überführung in die breite Praxis gelöst werden
müssen.
Quantensysteme sind sehr empfindlich gegenüber kleinsten
Störungen aus der Umwelt. Je größer die Anzahl der Qubits
ist, umso schwieriger wird es, die Systeme zu kontrollieren und
perfekt vor Störeinflüssen zu schützen.
Teilweise lassen sich hervorgerufene Fehler durch geschickte
Algorithmen kompensieren oder durch die Kodierung der
Quanteninformation auf mehreren physikalischen Qubits nachträglich
korrigieren.
Es gibt derzeit noch verschiedene konkurrierende Ansätze
für die Qubit-Realisierungen wie Supraleiter, neutrale Atome,
Ionenfallen und Festkörperspins. Derzeit wird noch erforscht,
welche Ansätze sich am besten für das Quantencomputing und
dessen verschiedene Anwendungen eignen. Hier muss noch erhebliche
Pionierarbeit geleistet werden.
Durch diese Herausforderungen ist heute noch kein Quantencomputer
in der Lage, bei praxisrelevanten Fragestellungen
schneller zu rechnen als klassische Supercomputer – bei theoretischen
mathematischen Fragestellungen konnten Quantencomputer
jedoch bereits signifikant bessere Ergebnisse erzielen.
Zur Arbeit der FMD im Projekt »FMD-QNC« siehe Seite 10 bis 13.
7

Quantencomputing – eine neue Technologie mit
grenzenlosem Potenzial
Kryptographie | Quantenkryptographie gewährleistet den
sicheren Austausch von Informationen, indem sie sich bei
der Verschlüsselung auf grundlegende Gesetze der Quantenphysik
stützt.
Chemie- und Materialdesign | Quantencomputer können
komplexe chemische und physikalische Prozesse modellieren
und simulieren, um Materialien und Medikamente zu entwerfen
und zu optimieren.
Logistik und Transport | Quantencomputer ermöglichen es,
komplexe Optimierungsprobleme im Bereich der Logistik und
des Transports zu lösen. So können sie z. B. die kürzeste Route
für Lieferfahrzeuge berechnen oder die Lagerplanung optimieren.
Finanzen | Quantencomputer können komplexe Finanzmodelle
simulieren und Risiken in Echtzeit bewerten, um
Finanzportfolien zu optimieren, schnelle Entscheidungen zu
treffen und bessere Ergebnisse zu erzielen.
Künstliche Intelligenz | Quantencomputer können das Training
von neuronalen Netzen und anderen KI-Modellen beschleunigen
und optimieren.
8

Neue Rechnertechnologien als Garant für
Sicherheit, Wohlstand und Ökologie
Noch sind die neuen Computertechnologien nicht anwendungsreif, ihr
disruptives Potenzial ist jedoch sehr groß. Nun gilt es, einen Vorsprung
gegenüber der weltweiten Konkurrenz zu generieren. Dies gelingt vor
allem durch intensiven Wissenstransfer in die Industrie und besondere
Anstrengung bei der Aus- und Weiterbildung von spezialisierten Fachkräften.
Deutschland und Europa sind bei der Forschung zum neuromorphen
Computing und zu Quantentechnologien gut aufgestellt, dies kann sich
in einem dynamischen Feld jederzeit ändern. Eine Abhängigkeit von
anderen Regierungen oder Unternehmen beim Zugriff auf neue Computertechnologien
könnte fatale Auswirkungen auf unsere (Cyber-)
Sicherheit und Ökonomie haben.
Auch bei der Erreichung von (globalen) ökologischen Zielen bieten die
neuen Technologien enorme Chancen. Die nächste Computergeneration
kann beispielsweise durch Simulationen zur Entwicklung effektiverer
Düngemittel beitragen oder komplexe Szenarien zur globalen
Klimaentwicklung erstellen.
Durch den Einsatz von neuromorphen und Quantenmodulen in Hochleistungsrechenzentren
wird nicht nur eine erhebliche Leistungssteigerung
ermöglicht, sondern es werden auch entsprechende
Energie einsparungen erzielt. Dies ist auf die deutlich verkürzten Laufzeiten
bei den einzelnen Rechenoperationen zurückzuführen.
Es ergeben sich spannende Synergien zum Projekt »Green ICT @ FMD«
https://fmd.one/impuls4/1
9

Beyond Binary | Deutschlandweite Kooperation
»FMD-QNC« gestartet
Um die in Deutschland vorhandene mikroelektronische Forschung und
Entwicklung in Bezug auf Quantencomputing (QC) und neuromorphes
Computing (NC) zu bündeln und auszubauen, startete die FMD zusammen
mit vier weiteren Fraunhofer-Instituten, dem Forschungszentrum
Jülich und der AMO GmbH am 1. Dezember 2022 ein gemeinsames Vorhaben:
Die »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland – Modul
Quanten- und neuromorphes Computing«.
»FMD-QNC« ermöglicht eine anwendungsnahe und technologieoffene
Erprobung von Hardware-Entwicklungen für neue Rechentechnologien
und nimmt damit eine Brückenfunktion zwischen der Grundlagenforschung
und der industriellen Fertigung ein.
Die standortübergreifende Kooperation der 19 Institute verfolgt folgende
Ziele:
FMD-QNC trägt zur Entwicklung der zukünftigen Hardware-Basis für
neuartige Rechentechnologien bei.
FMD-QNC stellt maßgeschneiderte Mikroelektronik und skalierbare
Fertigungs- und Integrationsverfahren für QC und NC bereit.
FMD-QNC bietet industrierelevante Forschungsbedingungen und
einen niederschwelligen Zugang zu Forschungsinfrastruktur für
Industriepartner.
FMD-QNC koordiniert die Überführung der technischen Grundlagen
auf den Markt.
10

Mit gezielter, technologieoffener F&E zu
neu artigen Rechentechnologien made in Germany
Fraunhofer ISIT
Itzehoe
Berlin
Jülich
Fraunhofer IMS
Duisburg
FMD Geschäftsstelle
Ferdinand-Braun-Institut gGmbH
Fraunhofer HHI
Fraunhofer IZM
IHP GmbH
Frankfurt (Oder)
Forschungszentrum Jülich GmbH
Halle
Fraunhofer IMWS
Jena
Fraunhofer IPMS
Dresden
AMO GmbH
Fraunhofer ILT
Aachen
Fraunhofer IOF
Fraunhofer FHR
Wachtberg
Chemnitz
Fraunhofer ENAS
Fraunhofer IAF
Fraunhofer IPM
Freiburg
Erlangen
Fraunhofer IIS
Fraunhofer IISB
München
Fraunhofer EMFT
moduleqnc Partner
11

Mikroelektronik als Basis, um neuromorphes- und
Quantencomputing zu kontrollieren
Neuromorphes Computing – Speichern und Rechnen an
einem Ort
Nichtflüchtige Speicher | Neuromorphe Computer benötigen
Hardwarekomponenten, die sehr hohe Anforderungen an Energieeffizienz
und parallele Datenverarbeitung erfüllen. Wichtige
Komponenten sind hier »nichtflüchtige Speicher«, die es ermöglichen
sollen, Berechnungen direkt im Speicher durchzuführen;
ohne Datentransfer zwischen Prozessor und Speicher wie in
klassischen Rechnern. Hierdurch können neuromorphe Computer
ihre Aufgaben schneller, effizienter und hoch parallelisiert
ausführen, da sie die zu verarbeitenden Daten direkt aus dem
neuronalen Netz abrufen können.
Quanten-Hardware – Wie Quanteneffekte bestmöglich genutzt
werden können
Es ist noch nicht klar, welche Technologieplattform sich für
Quantencomputer durchsetzen wird. Derzeitige Ansätze haben
jeweils spezifische Vor- und Nachteile; ob es um extrem niedrige
Betriebstemperaturen, die Größe des Geräts, hohe Kosten,
Skalierbarkeit, Integrationsdichten oder Rauschunterdrückung
geht. Im Projekt »FMD-QNC« liefert die FMD breite technologische
Unterstützung für die Forschung an den verschiedenen
Ansätzen:
Supraleiter | Bei dieser Technologie werden die grundlegenden
Bausteine eines Quantencomputers, die Qubits, durch widerstandslos
fließende Ströme in supraleitenden Schaltkreisen
realisiert. Diese Ströme sind relativ robust gegenüber äußeren
Störeinflüssen und können die Quanteneigenschaften über
lange Zeit beibehalten.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt
den gerätetechnischen und strukturellen Aufbau des am
1. Dezember 2022 gestarteten Vorhabens »FMD-QNC«.
12

Neutrale Atome | Ultrakalte Atome werden im Vakuum einzeln
in optischen Fallen aus fernverstimmtem Laserlicht gefangen.
Sie repräsentieren perfekte Qubits, die über die Lichtfelder
räumlich frei angeordnet werden können. Durch resonantes
Licht können die Qubits kontrolliert und gezielt in Wechselwirkung
gebracht werden.
Ionen-Fallen | Ionen werden durch elektromagnetische Wechselfelder
innerhalb einer Vakuumkammer gefangen. Sie bilden
dabei lineare Ketten aus perfekten Qubits. Mikroelektronik und
Photonik erlauben es, die Ionen elektromagnetisch zu kontrollieren
und auszulesen.
Festkörper-Spins | Auch die Spins von Elektronen in Festkörpern
können als Qubits verwendet werden. Mittels elektrostatisch
geladener Elektroden auf Halbleiteroberflächen können
Quantenpunkte erzeugt werden, in denen einzelne Elektronen
gefangen sind. Durch elektrische und magnetische Wechselfelder
können die Elektronen kontrolliert und zur Wechselwirkung
gebracht werden. Die eingesetzten Technologien haben große
Ähnlichkeit zu denen von klassischen Schaltkreisen.
Alle Infos zum Projekt »FMD-QNC« erhalten Sie durch Scannen des
QR-Codes oder auf
https://fmd.one/impuls4/2
»FMD-QNC« wird auf europäischer Ebene durch das Projekt
»PREVAIL« (Partnership for Realization and Validation of AI
Hardware Leadership) ergänzt. Im Projekt arbeiten die vier europäischen
RTOs CEA-Leti, Fraunhofer, imec und VTT zusammen,
um eine vernetzte 300-mm-Technologieplattform zur Herstellung
von Chip-Prototypen für fortschrittliche Anwendungen der
künstlichen Intelligenz und des neuromorphen Computings zu
schaffen.
13

Der Deep-Tech-Accelerator für
Forschungsgruppen, Start-ups und KMU
Gerade die ersten Schritte im Hochtechnologiebereich sind für viele
Unternehmen sehr herausfordernd. So sind Forschungsgruppen,
innovative Start-ups und junge KMU im Deep-Tech häufig auf teure Infrastruktur
und – gerade im Bereich Mikroelektronik – oft auf Low-Volume
– High-Performance Angebote angewiesen, die von der Industrie
teilweise schwierig zu erhalten sind.
Im Rahmen des QNC Space bietet die FMD mit ihren assoziierten Instituten
einen niederschwelligen Zugang zu technologischer Ausstattung,
um Forschungsgruppen und jungen Unternehmen im Bereich
Quanten- und neuromorphes Computing von Beginn an bestmöglich in
ihrer Forschung bzw. auf ihrem unternehmerischen Weg zu fördern.
Kernstück der Kooperation zwischen dem Projektkonsortium
»FMD-QNC« und externen Partnern im QNC Space ist die gemeinsame
Erarbeitung spezifischer Prozesse und Prozessmodule bis hin zu späteren
Prototypen. Daneben bietet der QNC Space ein intensives technologisches
Beratungs- und Supportangebot, um die jungen Unternehmen
auf die weiteren Entwicklungsschritte im Markt vorzubereiten.
Hiermit legt »FMD-QNC« wichtige Grundsteine für eine Führungsrolle
Europas im Bereich neuer Rechentechnologien!
Alle Informationen zum QNC Space und zur Bewerbung
finden Sie durch Scannen des QR-Codes oder auf
https://fmd.one/impuls4/3
14

Ausbildungsqualität auf
höchstem Niveau
Um dem Fachkräftemangel im Bereich Mikroelektronik entgegenzuwirken,
startete die FMD im Dezember 2022 mit dem Aufbau einer
Mikroelektronik-Akademie. In Kooperation mit Bildungseinrichtungen,
bestehenden Nachwuchsförderprojekten und Industriepartnern soll
die Akademie im Rahmen einer einjährigen Konzeptionsphase praxisbasierte
Modulangebote erarbeiten und über die nächsten drei Jahre
erproben.
Fachlich bilden »Ressourcenbewusste IKT«, »praxisorientierte Halbleitertechnik
und -technologie« sowie das »Design mikroelektronischer
Schaltungen und Systeme« die thematische Basis der Akademie.
Ziel ist es, langfristig aktiv auf Bereiche wie z. B. Klimaschutz und Nachhaltigkeit,
neuartige Rechentechnologien und Vertrauenswürdigkeit
im Halbleiter- und Chipbereich Einfluss zu nehmen und diese voranzutreiben.
Des Weiteren zielt die Mikroelektronik-Akademie darauf ab, die Zukunftstechnologie
Mikroelektronik als Arbeitsfeld bekannter zu machen
und Zugangsbarrieren abzubauen. So sollen vor allem jungen
Menschen konkrete Tätigkeitsfelder und Einsatzmöglichkeiten aufgezeigt
werden, um sie für einen Karriereweg in der Mikroelektronik zu
begeistern.
Die Mikroelektronik-Akademie wird im Rahmen zweier vom
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderter
Vorhaben realisiert – dem FMD-Modul Quanten- und neuromorphes
Computing »FMD-QNC« sowie dem standortübergreifenden
Kompetenzzentrum für eine ressourcenbewusste
Informations- und Kommunikationstechnik »Green ICT @ FMD«.
Alle Information zur Mikroelektronik-Akademie erhalten
Sie durch Scannen des QR-Codes oder auf
https://fmd.one/impuls4/4
15

16

Erleben Sie den virtuellen 3D-Showroom der FMD durch
Scannen des QR-Codes oder auf https://fmd.one/impuls4/5
17

18

Den Direkteinstieg in den Fokusraum zum Thema Next Generation
Computing erhalten Sie durch Scannen des QR-Codes oder auf
https://fmd.one/impuls4/6
19

»
Die Mikroelektro nik ist vor
allem ein Enabler, um
die notwendigen Komponenten
für Qubits
bereitzustellen.
Im FMD.impuls Interview sprechen Dr. Steffen Kurth [SK] vom Fraunhofer
ENAS und Dr. Thomas Knieling [TK] vom Fraunhofer ISIT und IMS
über Chancen und Herausforderungen in der Entwicklung neuer Computergenerationen
und das enorme Potenzial, das sich aus den erwarteten
Leistungssteigerungen ergibt.
Was sind die besonderen Eigenschaften von neuromorphem und
Quantencomputing?
»
[SK] Beim neuromorphen Computing werden auf herkömmlichen
Elektroniken sogenannte neuromorphe Zellen ergänzt, die man
umschalten kann. Man hat also eine Elektronik, die sich ständig
selbst umkonfiguriert, man bleibt aber dabei, die herkömmlichen
Zustände Eins und Null wiederzugeben.
Beim Quantencomputing ist das vollkommen anders; hier geht es
um Atome oder Ionen und deren Energiezustände. Diese Energiezustände
lassen sich nicht so leicht technisch mit Eins oder Null
erfassen, sie sind immer irgendwo dazwischen. Man braucht bei
der Auswertung für eine eindeutige Aussage deshalb einen statistischen
Mittelwert, um mit guter Wahrscheinlichkeit sagen zu können:
das ist eine Eins oder eine Null.
20

Was sind Vorteile und Anwendungen dieser neuen Rechnertechnologien?
»
»
»
[TK] Beim Neuromorphic Computing geht es darum, Hirnstrukturen
nachzustellen. Synapsen arbeiten beispielsweise sehr stark dezentralisiert,
verbrauchen viel weniger Energie und sind trotzdem schnell.
Die Vorteile vom Quantencomputing liegen hingegen darin, dass
man bestimmte Aufgaben viel schneller lösen kann als mit konventionellen
Computern mit binären Zuständen. Zum Beispiel bei
der Entwicklung neuer Materialien oder von Medikamenten und
neuen Therapien. Auch bei der Energiegewinnung gibt es Herausforderungen,
die man mit dem Quantencomputing einfach viel
schneller und effizienter lösen kann.
Wo herrscht noch weiterer Forschungsbedarf und welche Rolle spielt
die Mikroelektronik?
[TK] Viele Entwicklungen liegen nur auf dem Labor-Level vor. Das
heißt, man braucht Technologien, um eine höhere Integration zu erreichen
und so die Anzahl der Qubits zu erhöhen. Die Mikroelektronik
ist vor allem ein Enabler, um die notwendigen Komponenten für
Qubits bereitzustellen. Wenn man im großen Maßstab viele Qubits
erzeugen will, kann dies nur durch Mikroelektronik-Prozesse erreicht
werden.
Was ist die strategische Bedeutung der neuromorphen und Quanten-
Technologien?
[SK] Eine Triebkraft ist immer ein wenig die Angst davor, im Weltmaßstab
entblößt dazustehen, denn es geht um eine ganz neue
Qualität, die erreicht werden kann, wenn die Menge an Rechenoperationen,
die zu einer gegebenen Zeit durchgeführt wird, so extrem
steigt. Durch Quantencomputer werden viele Verschlüsselungstechnologien,
wie wir sie gegenwärtig kennen, nicht mehr effektiv
einsetzbar.
Zum vollständigen Videointerview mit Dr. Steffen Kurth und
Dr. Thomas Knieling gelangen Sie durch Scannen des QR-Codes oder auf
https://fmd.one/impuls4/7
21

Zweitens gehen wir davon aus, dass eine erhöhte Rechenquantität
um mehrere Zehnerpotenzen, ähnlich wie beim Smartphone in den
letzten 10 - 20 Jahren, dazu führt, dass eine ganz neue Qualität an
Applikationen möglich wird. Dies ist unser »Lockstoff«, um Quantenund
neuromorphes Computing rasch weiterzuentwickeln.
»
Wie stehen Deutschland und Europa international da und wie bindet
sich das Projekt »FMD-QNC« in das Ökosystem ein?
»
»
[TK] In Deutschland findet schon seit vielen Jahren wegweisende
Forschung in den Quantenwissenschaften statt, erste Qubits wurden
im Labor erzeugt und auf diesen Grundlagen müssen wir aufbauen!
Ziel ist es, diese Forschung gemeinsam in Deutschland und Europa
weiter voranzutreiben und weltweit eine führende Position einzunehmen.
Dafür wurden und werden bereits sehr viele Forschungsmittel
bereitgestellt.
[SK] Das Projekt »FMD-QNC« beschäftigt sich fachlich mit einer großen
Breite unterschiedlicher Technologien für das
Quanten- und das neuromorphe Computing.
Wir befassen uns dabei mit der Erweiterung
der vorhandenen Anlagentechnik und
Wir reden hier von
einer ganz neuen
und bisher ungeahnten
Qualität
an Rechenleistung.
auch damit, die Technik weiter für einen
Transfer in die Industrie zu qualifizieren.
Es kommt besonders darauf an, einen
niederschwelligen Zugang zu erreichen,
um kurzfristig und agil neue Technologien
aus dem neuromorphen und Quantencomputing
testen zu können – technische
Möglichkeiten, die z. B. KMU und Start-ups
oft nicht haben. Ein zweiter Punkt ist die
Weiterbildung von Fachkräften, die an den
Einrichtungen und der neuen Technik erfolgen
kann.
Einen Rahmen um die beteiligten Institute herum zu setzen und
die Arbeiten zu koordinieren, ist eine wichtige Aufgabe. Die FMD
bietet sich geradezu an, diese Klammer zu bilden. In der Geschäftsstelle
der FMD sind die Kräfte gebündelt, die für die Auftraggeber
und Kunden – ob das jetzt Universitäten, Forschungseinrichtungen
oder Unternehmen sind – einen Anlaufpunkt darstellen. Sie alle
bekommen einen niederschwelligen Zugang zu den erforderlichen
22

»
Technologien, werden geguided und die richtigen, für die jeweiligen
Probleme geeigneten, Institute werden eingebunden.
Quo vadis, Quanten- und neuromorphes Computing?
[SK] Wenn das Projekt »FMD-QNC« in knapp drei Jahren zu Ende
geht, dann geht die Arbeit erst richtig los. Zu diesem Zeitpunkt
sind viele neue technische und wissenschaftliche Ansätze hervorgebracht,
die man dann ohne lange Vorbereitung realisieren kann.
Die Entwicklung der Technologien für Quanten- oder neuromorphes
Computing ist rasant. Wir können uns gegenwärtig nicht vorstellen,
dass Quantencomputer vielleicht sogar in ein häusliches Umfeld
einziehen. Aber ich würde dennoch davon ausgehen, dass sie in
10 - 15 Jahren an zahlreichen Stellen in der Wirtschaft, im Bereich
KMU, vielleicht sogar bei Enthusiasten im privaten Bereich Einzug
gehalten haben.
Dr. Steffen Kurth arbeitet am Fraunhofer-Institut für elektronische Nanosysteme
ENAS als Technical Lead, steuert die strategische Entwicklung am Institut im Hinblick
auf die Forschungsrichtung und damit auch auf die Entwicklung im Bereich
neuromorphes und Quantencomputing.
Dr. Thomas Knieling arbeitet am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT
und am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS.
Er ist unter anderem für die Akquise von Projekten zuständig, so zum Beispiel im
Bereich Quantencomputing.
Ihren Kontakt zur Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland
finden Sie durch Scannen des QR-Codes oder auf
https://fmd.one/impuls4/8
23

Impressum
FMD.impuls Ausgabe 4 | Mai 2023
© Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik, Berlin 2023
Geschäftsstelle Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland /
Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik
Anna-Louisa-Karsch-Straße 2
10178 Berlin
www.forschungsfabrik-mikroelektronik.de
fmd.impuls@forschungsfabrik-mikroelektronik.de
Social Media
Redaktion
Maximilian Kunze
Fabio Sciascia
Carolin Steinert
Romy Zschiedrich
|
|
|
|
maximilian.kunze@mikroelektronik.fraunhofer.de
fabio.sciascia@mikroelektronik.fraunhofer.de
carolin.steinert@mikroelektronik.fraunhofer.de
romy.zschiedrich@mikroelektronik.fraunhofer.de
Bildnachweise
Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck nur mit Genehmigung des Fraunhofer-Verbunds
Mikroelektronik
Seite 1 :
Seite 3 :
Seite 4 :
Seite 6 :
Seite 9 :
Seite 10:
Seite 11:
Seite 13:
Seite 14:
Seite 16:
Seite 18:
Seite 20:
Seite 23:
© Forschungszentrum Jülich | Sascha Kreklau
© Fraunhofer IIS
© shutterstock.com | Andrii Vodolazhskyi
© shutterstock.com | Baivector
© lœwn | logulagu GmbH | Bernhard Wolf
© Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik
© Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik
© Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik
© istockphoto.com | skynesher
© lœwn | logulagu GmbH
© lœwn | logulagu GmbH
© lœwn | logulagu GmbH | Bernhard Wolf
© shutterstock.com | IM Imagery
Kreation
loewn.de | roar@loewn.de
24

25

26