FMD-QNC | Quanten- und neuromorphes Computing

Projektstart:	01.12.2022
Förderung:	BMBF
Projektpartner:	19

Rechenintensive Technologien und Anwendungen wie künstliche Intelligenz, Edge-Datenverarbeitung oder die Optimierung komplexer Systeme bringen die klassischen Digitalrechner vermehrt an ihre Leistungsgrenzen. Dies äußert sich beispielsweise bei Simulationen zur schnelleren Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe, bei optimierten Abläufen in komplexen Produktionslinien oder Verbesserungen der Logistik im Straßen- und Güterverkehr. Einen vielversprechenden Lösungsansatz bieten hierbei das sogenannte Quantencomputing (QC) und neuromorphes Computing (NC). Sie gelten als die wesentlichen Grundlagen für das Next Generation Computing, also für neuartige Rechentechnologien, ohne die zukünftig viele wettbewerbs- und sicherheitskritische Anwendungen nicht realisiert werden können.

Aktuell wird in Deutschland in vielen grundlagenorientierten Forschungsprojekten an QC und NC gearbeitet. Es fehlen aber noch ausreichend Möglichkeiten für eine anwendungsnahe Erprobung der für die hochkomplexen Rechentechnologien benötigten Hardware-Entwicklungen sowie eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in Prototypen und Kleinserien.

Um die vorhandene mikroelektronische Forschung und Entwicklung in Bezug auf Quanten- und neuromorphes Computing zu bündeln und auszubauen, startete die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) zusammen mit vier weiteren Fraunhofer-Instituten, dem Forschungszentrum Jülich und der AMO GmbH Ende 2022 ein gemeinsames Vorhaben: Die »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland – Module Quanten- und neuromorphes Computing (FMD-QNC)«.

Maßgeschneiderte Mikroelektronik und skalierbare Fertigungs- und Integrationsverfahren

©Fraunhofer Mikroelektronik

Um eine ganzheitliche Forschungsstruktur für neuartige Rechentechnologien auf höchstem Niveau zu schaffen, werden die Kooperationspartner bis Ende 2025 mit Designtools, Mess- und Charakterisierungstechniken sowie Fertigungsanlagen, die für die anwendungsnahe Erforschung und Entwicklung hochkomplexer QC- und NC-Hardware erforderlich sind, schrittweise und bedarfsgerecht ausgestattet.

Die Forschungsstrukturen werden zu industrienahen Forschungs- und Pilotlinien vernetzt, unter anderem für supraleitende und memristive Schaltkreise, 3D-Systemintegration und hochintegrierte Strahlquellen. Im Ergebnis sollen dort zukünftig Lösungen für die teilweise extremen Betriebsumgebungen, wie Vakuum, kryogene Temperaturen oder elektromagnetische Abschirmung erarbeitet werden können. Damit werden die prozesstechnischen und technologischen Voraussetzungen für Design, Herstellung und Charakterisierung von Chips für neuromorphes Computing wie auch verschiedene QC-Technologien (supraleitend-, Neutralatom-, Ionenfallen- und Quantenpunkt-basiert) geschaffen.

Industrierelevante Forschungsbedingungen und ein niederschwelliger Zugang zu Forschungsinfrastruktur

Neben den Forschungsaktivitäten und der anwendungsnahen Erprobung der Entwicklungen sind eine »Mikroelektronik-Akademie«, »QNC Space« und das »QNC-Betreibermodell« weitere Bestandteile des Gesamtvorhabens FMD-QNC.

Mikroelektronik-Akademie

Das so genannte QNC-Betreibermodell soll ein flexibles und niederschwelliges Zugangsmodell für die Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft beinhalten, um agil auf die fortschreitenden neuen Entwicklungen und die Bedarfe aus Forschung und Entwicklung zu reagieren sowie den Transfer in die Wirtschaft zu beschleunigen. Hierzu sollen die drei spezifischen Projektkorridore Technologieentwicklung, Pilotfertigung und Vorlaufforschung geschaffen werden. Außerdem sollen Netzwerke mit verschiedenen Nutzergruppen sowie ausgewählte flankierende Forschungsarbeiten zur Integration der Technologien in die Forschungsstrukturen ausgebaut werden. Dies beinhaltet ein QNC-Space zur Erprobung spezieller Herstellmethoden, sogenannte Multi-Project-Technologien als vereinfachten Zugang zu Chipfertigungsdurchläufen und eine Open-Design-Plattform.
Dr. Oliver Pyper, Projektleiter FMD-QNC.

FMD-QNC auf einen Blick
Projektstart	Dezember 2022
Projektpartner	AMO GmbH, Forschungszentrum Jülich, Fraunhofer EMFT, Fraunhofer ENAS, Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), Fraunhofer FHR, Fraunhofer HHI, Fraunhofer IAF, Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik IHP, Fraunhofer IIS, Fraunhofer IISB, Fraunhofer ILT, Fraunhofer IMS, Fraunhofer IMWS, Fraunhofer IOF, Fraunhofer IPM, Fraunhofer IPMS, Fraunhofer ISIT, Fraunhofer IZM
Projektziele	Ziel ist, die in Deutschland vorhandene mikroelektronische Forschung und Entwicklung in Bezug auf Quanten- und neuromorphes Computing zu bündeln und auszubauen sowie eine ganzheitliche Forschungsstruktur für neuartige Rechentechnologien auf höchstem Niveau zu schaffen. Somit sollen Forschende und Unternehmen bei der Entwicklung von maßgeschneiderter Mikroelektronik und skalierbaren Fertigungs- und Integrationsverfahren für die neuen Rechentechnologien bestmöglich unterstützet werden.
Zusammenhang PREVAIL	FMD-QNC wird auf europäischer Ebene durch das Projekt »PREVAIL« (Partnership for Realization and Validation of AI hardware Leadership), das zeitgleich am 1. Dezember 2022 startete, ergänzt. Im Projekt arbeiten die vier europäischen Forschungsorganisationen CEA-Leti, Fraunhofer, imec und VTT zusammen, um eine vernetzte 300-mm-Technologie-Plattform zur Herstellung von Chip-Prototypen für fortschrittliche Anwendungen der künstlichen Intelligenz und neuromorphen Computing zu schaffen. Der nationale Teil von PREVAIL umfasst die vier Fraunhofer-Institute EMFT, IIS, IPMS und IZM, die als Teil der FMD ihre 300-mm-Fertigungs-, Design- und Testeinrichtungen erweitern und komplementär zu der 300-mm-Technologie ihrer europäischen Forschungspartner einsetzen. Die geplanten Projektaktivitäten innerhalb von PREVAIL und FMD-QNC werden synergetisch vernetzt und sind wichtige Vorbereitungen für das technologische Fundament des »European Chips Act«. Durch das Maßnahmenpaket der Europäischen Kommission soll die Entwicklung der Halbleitertechnologie auf eine neue Stufe gehoben und die europäische Innovationskraft in der Mikroelektronik ausgebaut werden.
Förderung	Dieses Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.