Forscher der Penn State University haben einen Speicherbaustein mit extrem geringem Stromverbrauch entwickelt, der synthetische DNA mit einem Halbleiter kombiniert – ein Fortschritt, der nach Ansicht des Teams den Weg zu deutlich energieeffizienteren Computern und KI-Systemen weisen könnte.
DNA ist als Speichermedium außerordentlich dicht: Ein einziges Gramm kann rund 215 Millionen Gigabyte fassen. Doch DNA neben elektronischen Materialien funktionieren zu lassen, war bisher eine hartnäckige Herausforderung. Die Lösung des Penn-State-Teams, veröffentlicht in Advanced Functional Materials und Gegenstand einer Patentanmeldung, verbindet synthetische DNA – kurze, chemisch maßgeschneiderte Sequenzen für elektronische Anforderungen – mit kristallinem Perovskit, einem Halbleiter, der bereits in Solarzellen, Lasern und Datenspeichern zum Einsatz kommt.
Das Ergebnis ist ein Memristor, ein Speicherwiderstand, der auch nach dem Abschalten der Stromversorgung eine Aufzeichnung früherer elektrischer Aktivität bewahrt. Da Memristoren Informationen am selben Ort speichern und verarbeiten können – ähnlich wie Neuronen im Gehirn –, könnten sie das neuromorphe Rechnen unterstützen, das mehrere Eingaben gleichzeitig verarbeitet und aus Erfahrung lernt; ein Paradigma, von dem KI nach Ansicht der Forscher zunehmend abhängen wird.
Um den Baustein zu bauen, fügte das Team Silber-Nanopartikel zu maßgeschneiderten DNA-Sequenzen hinzu, die in dünne Perovskit-Schichten integriert wurden. Die Silber-Dotierung machte die DNA leitfähig und half ihren molekularen Einheiten, sich geordneter auszurichten. Anders als natürliche DNA – lange, verhedderte Stränge, die sich wie nass gewordene Spaghetti verhalten – lässt sich kurze, starre synthetische DNA auf winzigen Skalen präzise anordnen. „Wir können rechnerisch exakt bestimmen, welche Sequenzen wir brauchen und wie lang sie sein müssen", sagte Koautorin Neela H. Yennawar.
Der Baustein arbeitete zuverlässig bei unter 0,1 Volt – zum Vergleich: Eine US-Steckdose liefert 120 Volt – und reagierte vorhersehbar, wenn die Stromrichtung umgekehrt wurde. Er funktionierte durchgehend bei Temperaturen von annähernd 121 Grad Celsius und blieb über sechs Wochen bei Raumtemperatur einsatzfähig – deutlich stabiler als bestehende Perovskit-Speicherbausteine.
„Normalerweise braucht es mehr Energie, um mehr Informationen zu speichern. Unser Baustein verbraucht jedoch 100-mal weniger Strom, und die Speicherkapazität ist höher als bei herkömmlichen Speichern wie USB-Sticks", sagte Ko-Korrespondenzautor Bed Poudel. Das Team stellte fest, dass die Kombination deutlich besser abschnitt als DNA oder Perovskit allein. „Erst diese Kombination ermöglicht eine sehr hohe Speicherdichte bei sehr geringem Stromverbrauch", ergänzte Kavya S. Keremane.
Die Forschung wurde von der National Science Foundation, den National Institutes of Health, der Penn State University und der University of Minnesota unterstützt. Das Team will die Technologie weiter verbessern und weitere bioinspirierte Elektronik erforschen. „Die Natur hat die Lösung – wir müssen sie nur finden und anwenden", sagte Poudel.
