Spins statt elektrischer Bits
Wie Computer in Zukunft mit Spintronik besser rechnen könnten.
Anwendungen wie ChatGPT oder komplexe Optimierungsalgorithmen treiben den Stromverbrauch von Rechenzentren weltweit in die Höhe. Forschende suchen daher nach neuen Ansätzen für effizientere Computerhardware. Eine vielversprechende Richtung ist das spinbasierte Rechnen. In einer neuen Übersichtsarbeit zeigen Forschende, darunter Karin Everschor-Sitte von der Universität Duisburg-Essen, wie spintronische Bauelemente zur Grundlage neuartiger Computerarchitekturen werden könnten.
Magnetische Materialien besitzen Eigenschaften, die für moderne Rechenansätze besonders interessant sind. Sie arbeiten nichtflüchtig, reagieren schnell und zeigen komplexe dynamische Prozesse wie Nichtlinearität, Zufälligkeit oder zeitliche Rückkopplung. Solche Eigenschaften lassen sich für neuromorphe und probabilistische Rechenmethoden nutzen – also für Algorithmen, die sich an der Funktionsweise biologischer Nervensysteme orientieren oder gezielt mit Unsicherheiten arbeiten.
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Die Übersichtsarbeit stellt mögliche Bausteine solcher Systeme vor, darunter spintronische Neuronen und Synapsen, probabilistische Bits (p-bits) sowie größere Rechenarchitekturen wie magnetisches Reservoir Computing oder sogenannte Ising-Maschinen, die besonders für schwierige Optimierungsprobleme geeignet sind. „Wir erforschen insbesondere, wie sich Reservoir Computing mit magnetischen Strukturen wie sogenannten Skyrmionen realisieren lässt“, erklärt Karin Everschor-Sitte, Professorin an der Uni Duisburg-Essen. „Ein wichtiger Teil unserer Arbeit ist es außerdem, neue Kenngrößen zu entwickeln, mit denen sich die Leistungsfähigkeit solcher Systeme zuverlässig bewerten lässt.“
Ein Vorteil der Technologie: Viele spintronische Bauelemente lassen sich mit bestehenden Halbleiterprozessen kombinieren. Magnetische Tunnelkontakte sind bereits in kommerziellen Speichertechnologien integriert und können in konventionelle CMOS-Fertigungsprozesse eingebunden werden.
Gleichzeitig stehen Forschung und Entwicklung noch vor Herausforderungen. Dazu gehören die optimale Abstimmung von Materialien, Bauelementen und Algorithmen sowie geeignete Bewertungsmaßstäbe, um die Leistungsfähigkeit neuer Hardware mit etablierten Systemen vergleichen zu können.
Langfristig sehen Fachleute spinbasierte Technologien nicht als Ersatz klassischer Computer, sondern als Ergänzung. Besonders vielversprechend erscheinen hybride Ansätze, bei denen unterschiedliche physikalische Rechenprinzipien kombiniert werden. Spinbasierte Systeme könnten so künftig dazu beitragen, die wachsenden Rechenanforderungen moderner datengetriebener Anwendungen energieeffizient zu bewältigen. [UDE / dre]
Weitere Informationen
- H. Kurebayashi, G. Finocchio, K. Everschor-Sitte, et al., Metrics for spin-based computing, Nat. Rev. Phys., 27. Februar 2026; DOI: 10.1038/s42254-025-00918-1
- UCL-Tohoku Spintronics Group (Hidekazu Kurebayashi), University College London
- TWIST – Topological Whirls In SpinTronics (Karin Everschor-Sitte), Fakultät für Physik, Universität Duisburg-Essen
Anbieter
Universität Duisburg-EssenForsthausweg 2
47057 Duisburg
Deutschland
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