Human Brain Project – EU Flagship

15.8.2019

Das Verständnis des menschlichen Gehirns ist eine der größten Herausforderungen für die Wissenschaft des 21. Jahrhunderts. Wenn wir uns dieser stellen, können wir tiefgreifende Einblicke in unsere menschlichen Eigenschaften gewinnen, neue Behandlungsmethoden für Gehirnerkrankungen und revolutionäre neue Computertechnologien entwickeln. Die moderne Informations- und Kommunikationstechnologie hat diese Ziele in dem europäischen Human Brain Project nun erstmals in Sichtweite gebracht.

Hochdichte Chip-zu-Chip-Verbindungen
© Fraunhofer IZM
Hochdichte Chip-zu-Chip-Verbindungen
Leiterplatte
© Fraunhofer IZM
Leiterplatte
Vakuum-Hochdrucklaminierpresse
© Fraunhofer IZM
Vakuum-Hochdrucklaminierpresse

Im 10-jährigen Human Brain Project arbeiten, aufgeteilt in zwölf Unterprojekte, 121 Partner aus 20 Ländern weltweit zusammen. Das gemeinsame Ziel: eine europäisch-wissenschaftliche Forschungsinfrastruktur für Gehirnforschung, kognitive Neurowissenschaften und andere vom Gehirn inspirierte Wissenschaften zu schaffen und zu betreiben. Dafür sammeln, organisieren und verbreiten die Partner Daten, die das Gehirn und seine Krankheiten beschreiben. Weiterhin simulieren sie das Gehirn, erstellen eine mehrskalige Gerüsttheorie und verschiedene Modelle für das Gehirn. Auf naturwissenschaftlicher Ebene ist das Ziel ein Gehirn-inspiriertes Computing, sowie eine vom Gehirn inspirierte Datenanalyse und Robotik. Am Ende soll die Arbeit des HBP verantwortungsbewusst erfolgen und der Gesellschaft zugutekommen.

Brücke vom Wafer zur Board-Technologie

Neben einer Gehirnsimulations-, einer Computing-Plattform oder einer Plattform für medizinische Information und Neurorobotik sind die Forscherinnen und Forscher für eine Neuromorphic Computing Plattform zuständig. Dabei wird eine neue Kategorie von Computerhardware entwickelt, die von den Schaltkreisen des Gehirns inspiriert ist, um die grundlegenden Grenzen der konventionellen Technologie zu überwinden versucht. Am Ende sollen die Forscherinnen und Forscher damit die Möglichkeit haben, die fortschrittlichste, vom Gehirn inspirierte Computerhardware zu verwenden und somit ihre Arbeit wesentlich zu beschleunigen, um z. B. Lernprozesse schneller als in Echtzeit zu simulieren.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden zwei komplementäre Lösungen für Hardwaresysteme verfolgt: Das Für die Arbeiten des Fraunhofer IZM ist in erster Linie das BrainScaleS System des Kirchhoff Instituts für Physik der Universität Heidelberg relevant. Es wird aus sehr schnellen, energieeffizienten analogen Chips aufgebaut, die die im Gehirn ablaufenden physikalischen Prozesse nachbilden. Dieses System verfügt zurzeit über 20 Siliziumwafer in 180-nm-Prozesstechnologie mit Schaltungsmodellen von 4 Millionen Neuronen und 1 Milliarde synaptischen Verbindungen. Der Herstellungsprozess für die Siliziumwafer in einer Halbleiterfabrik erzeugt Chips, die nicht flächendeckend verbunden sind. Am Fraunhofer IZM werden die hochdichten Chip-zu-Chip-Verbindungen auf dem gesamten Wafer vorgenommen. Der Wafer wird dadurch zu einer großflächigen Einheit.

Die neuen Wafer-zu-System-Verbindungen basieren auf der Einbetttechnologie. Im Laminierungsprozess wurden dafür 200 mm-Silizium-Halbleiterwafer mit einer Dicke von 250 µm in einem Leiterplattenstapel aus FR4-Rahmen, zwei Prepreg-Schichten und zwei Kupferfolien, aufgebaut. Die Laminierung erfolgte in einer beheizten Vakuum-Hochdrucklaminierpresse.

Seit Beginn des Projektes sind die Forscherinnen und Forscher bereits zur ersten Erfolgsstufe gelangt. Das erste aktive Leiterplattensystem mit eingebettetem aktivem Wafer ist hergestellt. Dieses wurde bereits an der Universität Heidelberg erfolgreich getestet. Aktuell arbeiten die Wafer-Expertinnen und -Experten am Fraunhofer IZM in Berlin an Verbesserungen des Laminierungsprozesses und entwickeln ein Verfahren zur Vermeidung von Waferdrifts. Im nächsten Schritt werden Vorbereitungen getroffen zum Aufbau einer kompletten Neuromorphic Computing Plattform. Das Fraunhofer IZM ist hier der ideale Technologiepartner, da in Berlin hochkomplexe Wafer-Level-Integrationsstrategien mit einer einzigartigen Kompetenz zum Leiterplatten-Embedding synergetisch verknüpft werden können.

Das Human Brain Project wird mit einem Budget von über 200 Millionen Euro etwa zur Hälfte von der EU finanziert und zur anderen Hälfte von den Mitgliedstaaten sowie privaten Finanzierungsquellen. Das Projekt ist in mehrere Phasen unterteilt. Bereits abgeschlossen sind die Ramp-Up-Phase (Oktober 2013 bis März 2016) sowie die spezifische Zuwendungsvereinbarung SGA 1 (April 2016 bis April 2018). Die aktuelle Phase SGA 2 läuft noch bis zum März 2020.  Weitere Phasen sind zurzeit in Diskussion. Zusätzliche Informationen finden Sie unter: www.humanbrainproject.eu.