Diese neue Computerkomponente, die in Zusammenarbeit mit TSMC entwickelt wurde, verspricht eine deutliche Verbesserung der Effizienz von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen. Basierend auf „probabilistischen Bits“ (p-Bits), deren Werte natürlich zwischen 0 und 1 schwanken, können p-Bits – anders als herkömmliche digitale Bits mit festen Werten – effizient mehrere Möglichkeiten erkunden und bieten so erhebliche Vorteile bei der Lösung von Optimierungs- und Inferenzproblemen. Die Forschungsergebnisse wurden auf dem 71. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025) vorgestellt.

Bisher verwendeten die meisten p-Bit-Designs analoge elektronische Bauteile wie Digital-Analog-Wandler (DACs) zur Steuerung der Ausgangsfrequenz. DACs sind jedoch groß, energieintensiv und teuer, was die Skalierbarkeit einschränkt. Diese neue Forschung stellt einen Durchbruch dar, da sie ein volldigitales p-Bit-Design entwickelt, das ohne DAC auskommt. Shunsuke Fukami von der Northeastern University erklärte: „Die Abhängigkeit von analogen Signalen behinderte die Entwicklung. Wir haben eine digitale Methode entdeckt, die es uns ermöglicht, das Verhalten von p-Bits ohne sperrige analoge Schaltungen anzupassen.“ Das Forschungsteam nutzte kleine elektronische Bauelemente, sogenannte magnetische Tunnelkontakte (MTJs), die zufällig zwischen zwei Zuständen wechseln können. Ein einfacher digitaler Schaltkreis wird mit einem 50/50-Zufallsbitstrom gespeist und kann Signale kontrolliert kombinieren, um die Wahrscheinlichkeit für den Ausgabewert 0 oder 1 stufenlos anzupassen. Dieser digitale Schaltkreis kompensiert zudem Unterschiede in den Zufallsfaktoren zwischen den Bauelementen, gleicht Fertigungsungenauigkeiten aus und überwindet zwei wesentliche Hindernisse hardwarebasierter probabilistischer Berechnungen. Das System kann sich selbst organisieren und seinen internen Zustand aktualisieren, und zahlreiche p-Bits können parallel ohne zentrale Steuerung arbeiten. Das Design ermöglicht außerdem einen „On-Chip-Annealing“-Mechanismus, der den Lösungsbereich durch Änderung der Timing-Einstellungen eingrenzt.

Dieses neue Design benötigt deutlich weniger Fläche und verbraucht weniger Energie als andere Lösungen und ist mit modernen Halbleiterfertigungsprozessen kompatibel. Forscher gehen davon aus, dass diese Errungenschaft probabilistische Berechnungen in Anwendungen wie künstlicher Intelligenz, Logistik, wissenschaftlicher Forschung und zukünftigen Computersystemen praktikabel machen wird.

Weitere Informationen: Autoren: Kemal Selcuk et al., Titel: „DAC-lose p-Bits: Asynchrone Selbstabschirmung und On-Chip-Annealing“