Hardware-Projekt HW07


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Evolvable Hardware 5:

Analoge EHW durch Nicht-Standard-Materialien


 

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Nicht-Standard-Materialien

Im weiteren sollen einige Nicht-Standard-Materialien vorgestellt werden, die als potentielle Kandidaten für Nanocomputer gehandelt werden, und deren prinzipielle Eignung für evolutionäre Hardware in Rahmen dieses Projektes geprüft werden soll. Dabei sollen die analogen elektrischen Eigenschaften betrachtet werden, nicht jedoch ihre Eignung für digitale Hardware, oder als Basismaterial für Superpositions-Quantencomputer. Ziel sind somit evolutionäre Verfahren zur Erzeugung von analogen Schaltungen im allgemeinen und analoge 1SyT im speziellen (siehe Hardware-Projektes HW04).

Photonische Systeme, wie z.B. optisch aktive Polymere sollen hier nicht explizit behandelt werden, unabhängig ob sie analoge oder digitale Eigenschaften besitzen.

Im Rahmen des Projektes sollen auch Anregungen gesammelt werden, wie evolutionäre (Software und Hardware)-Verfahren genutzt werden können, um Nanocomputer aus den vorgestellten Materialien zu erzeugen.

Die Verarbeitungstechniken, mit denen Strukturen unterschiedlicher Funktionalität aus einzelnen Materialien erzeugt werden, ist bei diesen Materialtypen noch unklar bzw. zumindest nicht standardisiert, sodass auch hier Vorschläge für aktiv-evolutionäre Wege gemacht werden können, mit denen im Raum der möglichen Verfahrenstechniken Suchoperationen durchgeführt werden können.

Materialgruppe 1:

Polymere

Leitfähige Polymere, deren Eigenschaften durch Dotierung eingestellt werden können, sind seit längerem bekannt, wie z.B. Polyacetylen (siehe Kaner & MacDiarmid (1988)).

Polymer-Transistoren, die vollständig aus Polymeren bestehen, und die durch Drucktechniken wie Tintenstrahl bzw. Offset-Druck aufgetragen werden können, sind seit kurzem herstellbar (Dago de Leeuw, Philips Research Laboratories, siehe nachfolgende Abbildung); siehe auch Bao et al. (1997) und Drury et al. (1998)).

Analoge elektronische Eigenschaften und deren Simulation

Bei diesen Prototypen handelt es sich um digitale Prozessorelemente, d.h. die prinzipielle Eignung von Polymeren für analoge Prozessorelemente wird in diesem Zusammenhang nicht explizit erläutert. Da es jedoch im Nicht-Quantenbereich keine digitalen Systeme gibt, sondern nur analoge, die digital interpretiert werden, besitzen diese Schaltungen analoge Eigenschaften, die prinzipiell zur Informationsverarbeitung geeignet sind.

Es kann argumentiert werden, dass die analogen Eigenschaften dieser Systeme die interessanteren Potentiale besitzen, da die Schaltgeschwindigkeiten momentan existierender Polymer-Transistoren sehr gering sind. Die Schaltgeschwindigkeit definiert die Leistungsfähigkeit digitaler Prozessorelemente, während diese Eigenschaft bei analogen Systemen nur ein Element der Gesamtperformance ist.

Ein Teilprojekt dieses Hardware-Projektes besteht in der Evaluierung der analogen Fähigkeiten dieser Polymer-Systeme, im Hinblick auf ihre Eignung für analoge Evolutionäre Hardware. Zu diesem Zweck sollten auch Simulationssysteme entwickelt werden, welche die analogen elektrischen (bzw. magnetoelektrischen (siehe Hardware-Projekt HW06)) Eigenschaften von bestimmten Konfigurationen unterschiedlich dotierter Polymere berechnen können, analog einem Simulationssystem wie SPICE bei analogen Konfigurationen unterschiedlich dotierten Siliziums.

Gelingt es diese Simulationen sehr effizient durchzuführen, indem beispielsweise durch ein CGP/CHP-System Approximationsmodelle auf der Ebene von Maschinenbefehlen gebildet werden, oder indem analoge elektrische EHW Approximationsmodelle bilden, so besteht die Möglichkeit, diese Simulationen mit einem EA zu koppeln. Man gelangt dann zu einem System, analog dem Einsatz von GP und SPICE durch John Koza, mit dem Hardware-Designräume durchsucht werden können. Details zu der Anwendung von Soft-EA, Hard-EA und einer Kombination aus beiden Ansätzen findet sich im Rahmen des Hardware-Projektes HW04.

Neben Simulationen sind auch Untersuchungen bezüglich der Hardware in Verbindung mit den Verarbeitungstechniken zu klären, wie z.B. die Eignungsprüfung von Kandidaten dotierter Polymere für die Tintenstrahl-Drucktechnik. D.h. es muss geklärt werden, welche Lösungsmittel verwendet werden können, in Verbindung mit welchen Konzentrationen der verwendeten Polymere, wie z.B. 16-Mercaptohexadecansäure und 1-Octadecanthiol.

Bei diesen Hardwareuntersuchungen sind Softwarefragen eingeschlossen, wie die Entwicklung von Treibern, mit denen bestimmte Hardwarelayouts in den unterschiedlichen Polymertypen, die den Farben bei einem Standarddrucker entsprechen, ausgedruckt werden.

Materialgruppe 2:

Kohlenstoff-Nanoröhren

 

 

Nanoröhren aus Kohlenstoff besitzen elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften, die sie zu herausragenden Werkstoffen im Rahmen der Nanotechnologien werden lassen. Bei der Grundform von Kohlenstoff-Nanoröhren handelt es sich um Röhrenstrukturen, die sich aus Kohlenstoffatomen zusammensetzen, die 6-eckige Wabenstrukturen bilden (siehe nachfolgende Abbildung).

Diese Röhren besitzen einen Durchmesser von ca. 1,4 nm und können unterschiedlichste Längen besitzen, die mehrere mm betragen können. Neben der dargestellten ein-wandigen Röhre existieren verschiedene Typen von mehr-wandigen Röhren, die ineinander geschachtelt sind, auf die hier jedoch nicht eingegangen werden soll. Ein-wandige Röhren können in grösseren Mengen hergestellt werden, wobei sie sich zu Fasern zusammenlagern, die zusammengeknäult vorliegen (siehe nachfolgende Abbildungen).

Es konnte von Cees Dekker (Delft University of Technology, Niederlande) gezeigt werden, dass einzelne Kohlenstoff-Nanoröhren als Feldeffekt-Transistor arbeiten, wenn man sie mit zwei Elektroden verband (Spektrum Ticker 12. Mai 1998), die ca. 100 Mal schneller als gegenwärtig verwandte Siliciumgeräte arbeiten.

Durch die Dotierung von Kohlenstoff-Nanoröhren können Materialien mit funktionalen elektronischen Eigenschaften hergestellt werden, die für analoge Schaltungen genutzt werden können.

Auch bei dieser Werkstoffklasse sollen Simulationswerkzeuge erzeugt oder modifiziert werden, mit denen die Eigenschaften dieser funktionellen Varianten berechnet werden können, bevor aufwendige Synthesen vorgenommen werden, gefolgt von richtigen physikalischen Messungen. Mit den so gewonnenen Simulationswerkzeugen sollen Evaluierungen von Materialkonfigurationen durchgeführt werden, die durch aktiv-evolutionäre Suchoperationen erzeugt werden, und die analoge Schaltungselemente ergeben. Gelingt es mit diesen Materialien funktionale analoge Einheiten zu erzeugen, so können spezialisierte Simulationssysteme analog SPICE entworfen werden, mit denen Architekturen aus den Basiselementen erzeugt werden.

Im Rahmen des Hardware-Projektes soll weiterhin untersucht werden, ob Kohlenstoff-Nanoröhren bzw. dotierte Varianten in Lösung gebracht werden können, die sich für die weiter unten dargestellten Verarbeitungstechniken Drucken (Tintenstrahl und Lithographie) sowie für das Schreiben mit Nanofüllern eignen.

 

Im Rahmen dieses Projektteils könnten auch offene Fragen der Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren behandelt werden, da bekannte Herstellungsmethoden Nanoröhren mit einer sehr grossen Variationsbreite bezüglich der Längen erzeugen. Ob dies ein Nachteil für die Verarbeitungstechniken Drucken und Schreiben ist, muss vorab geklärt werden, wobei vermutet werden kann, dass zumindest für das Schreiben mit Nanofüllern eine Lösung aus Kohlenstoff-Nanoröhren gleicher Länge von Vorteil wäre. Im Zusammenhang mit einem Herstellungsprozess wäre beispielsweise ein aktiv-evolutionäres Control-Modell (Dual-Control-Theorie, siehe Aström & Wittenmark (1989)) einsetzbar, mit dem vorzugsweise Nanoröhren einer bestimmten Länge erzeugt werden, die sich für eine bestimmte Verarbeitungstechnik besonders eignen.

Materialgruppe 3:

DNA-Moleküle mit modifizierten Nukleotiden

 

DNA-Abschnitte können sowohl leitend als auch nicht leitend sein, sodass es möglich erscheint, durch chemische Dotierungen, Materialien auf der Basis modifizierter DNA-Moleküle zu erhalten, die solche elektrischen (und magnetischen) Eigenschaften besitzen, die sie für elektronische (oder magnetoelektronische) Funktionselemente geeignet erscheinen lassen. Die Hauptfrage in diesem Zusammenhang besteht nun darin, wie DNA-Moleküle mit bestimmten erwünschten elektrischen (und magnetischen) Eigenschaften zu erzeugen. Als Strategien bieten sich hier folgende (aktiv)-evolutionäre Verfahren an:

1) Evolutionäres Molecular-Modeling (EvoMM)

2) Evolutionäre DNA-Chemie

Beim evolutionären Molecular-Modeling wird ein Simulationssystem verwendet, das in der Lage ist, bestimmte Eigenschaften eines Moleküls bzw. des daraus gebildeten Materials zu berechnen, was der Evaluation innerhalb des Evolutionsprozesses entspricht. Ein EA erzeugt in einem Designraum unterschiedliche Moelkülarten, die danach evaluiert werden, was der Reproduktion und der Variation innerhalb des Evolutionsprozesses entspricht. Da die Evaluation in einem solchen Zusammenhang sehr aufwendig sein kann, sollte ein Aktives Lernen in Verbindung mit einer parallelen Evaluation der verwendeten Population in einer Generation durchgeführt werden.

 

Eine evolutionäre DNA-Chemie ist demgegenüber eine Wet-EA, d.h. es wird mit richtigen anstatt mit simulierten Molekülen bei einer Soft-EA gearbeitet. DNA-Moleküle lassen sich mit dem Enzym Polymerase im Rahmen der Polymerase-Kettenreaktion exponentiell vermehren, wobei kleine Mutationsfehler gemacht werden, was der Reproduktion und der Variation innerhalb des Evolutionsprozesses entspricht. Die Evaluation wird durch physikalische Messung im Rahmen eines Massenscreenings durchgeführt.

Der Nachteil der normalen Nukleotide in einem DNA-Molekül ist jedoch ihre Reaktionsträgheit. Werden demgegenüber chemisch aktive Gruppen an die Nukleotide angelagert, so hat dies in den meisten Fällen einen negativen Einfluss auf die Reproduktionsfähigkeit. Kandasamy Sakthivel und Carlos F. Barbas III vom The Scripps Research Institute konnten prinzipiell zeigen, dass es möglich ist, chemisch aktive Gruppen an die DNA anzuhängen, ohne dass dadurch die Polymerase beeinflusst wird, indem sie das Nukleotid T, durch ein künstliches Nukleotid U ersetzt haben (siehe auch Spektrum Ticker vom 4. November 1998). Damit wurde die prinzipielle Machbarkeit einer evolutionären DNA-Chemie erwiesen, bei der die Polymerase-Kettenreaktion die Vermehrung und Variation übernimmt, und die künstliche DNA-Moleküle übernehmen die Funktion der chemischen Reaktion, die als Voraussetzung für Selektionsprozesse benötigt wird.

Grundlage einer chemischen DNA-Chemie ist die Erzeugung einer möglichst grossen Anzahl künstlicher Nukleotide, die unterschiedlichste chemische Reaktionen ermöglichen, und die gleichzeitig in der Lage sind, sich zu einer DNA-Kette zu verbinden und eine Polymerase-Kettenreaktion zu ermöglichen. In dieser Vorbereitungsphase könnte ein evolutionäres Molecular-Modeling eingesetzt werden, um geeignete Nukleotid-Varianten zu erzeugen, die in einer evolutionären DNA-Chemie eingesetzt werden, um Materialien mit bestimmten physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erzeugen. Auch hier ist ein aktiv-evolutionäres Vorgehen ratsam, bei dem zunächst ein Modell der Reproduktionsfähigkeit in Abhängigkeit von der Nukleotid-Struktur ermittelt wird, und mit dem nach Nukleotiden mit einer hinreichenden Reproduktionsfähigkeit bei gleichzeitiger chemischer Reaktionsfähigkeit durch einen Evolutions- und einen Simulationsprozess gesucht wird. Die ausgewählten Kandidatenmoleküle werden durch Synthese-Roboter erzeugt, gefolgt von realen Messungen bezüglich der Reproduktionsfähigkeit von DNA-Molekülen, die aus diesen Basen zusammengesetzt sind. Methoden einer evolutionären DNA-Chemie können von den langjährigen Erkenntnissen der evolutionären RNA-Chemie profitieren (siehe hierzu Prof. Peter Schuster, Institut für Molekulare Biotechnologie, Jena).

Analoge elektronische Eigenschaften und deren Simulation

Sind DNA-Materialien durch einen Evolutionsprozess gefunden worden, die bestimmte elektrische oder magnetische Eigenschaften besitzen, so können damit funktionale Architektureinheiten erzeugt werden, die bestimmte analoge Eigenschaften besitzen, und mit denen Informationsprozesse durchgeführt werden können.

Auch hier kann wiederum ein spezialisiertes Simulationssystem erzeugt werden, das als Evaluationssystem innerhalb eines EA eingesetzt wird, mit dem analoge evolutionäre Hardware auf der Basis der DNA-Materialien erzeugt wird, analog der Vorgehensweise von GP und SPICE durch John Koza.

 


Verarbeitungstechnik

Die vorgestellten Materialien besitzen alle die Eigenschaft, dass sie in einer Lösung existieren, und mit dieser auf eine Oberfläche aufgetragen werden. Nach dem Verdunsten des verwendeten Lösungsmittels bleibt ein Feststoff auf der verwendeten Oberfläche zurück, der in einer Konfiguration mit einem oder mehreren anderen Feststoffen eine elektrische (oder magnetische) Funktion innerhalb eines Hardware-Elementes erfüllt.

Die Art der Verarbeitungstechnik der Lösungen ist dabei von besonderem Interesse, da sie entscheidenden Einfluss auf ein Rapid-Prototyping und auf die eventuelle Massenproduktion besitzen. Als weiteres Potential ist die Fertigung von drei-dimensionalen Schaltungsstrukturen zu nennen, da die organischen Lösungen bei thermischen und mechanischen Bedingungen verarbeitet werden können, die weiter unten liegende funktionale Schichten nicht beschädigen, wie dies bei lithographischen Verfahren mit Silizium der Fall ist.

Verarbeitungstechnik: Drucken und Stempeln

Organische Lösungen mit Polymer- oder DNA-Bestandteilen können insbesondere durch eine Tintenstrahltechnik auf eine Oberfläche aufgetragen werden (siehe Bao et al. (1997), Drury et al. (1998)), d.h. es können somit analoge, digitale oder Mixed-Signals-Schaltungen direkt gedruckt werden, ohne dass Zwischenschritte notwendig werden. Der Nachteil dieses Verfahrenstyps besteht in der geringen Geschwindigkeit mit der Strukturen erzeugt werden können, wobei dies jedoch durch Parallelisierung von Druckköpfen teilweise kompensiert werden kann. Diese Verarbeitungstechnik ist somit ideal für ein Prototyping, individuelle Schaltungen (für Auszeichungssysteme und für Verschlüsselungssysteme) und für Kleinserien geeignet.

Mit lithographischen Druckverfahren sowie mit Stempel-Verfahren (siehe Verfahren von John Rogers (Bell Laboratories), "Miniature Rubber Stamps", "Chips stempeln") lassen sich organische Lösungen dieser Art ebenfalls verarbeiten, wobei hier die kostengünstige Massenproduktion organischer, analoger Schaltungen im Vordergrund steht.

Verarbeitungstechnik: Nano-Schreiben

Noch wesentlich grössere Auflösungen als Drucken und Stempeln kann durch das Schreiben mit einem atomaren Kraftmikroskop (AFM) nach dem Verfahren von Chad A. Mirkin von der Northwestern University, erreicht werden, das als Nanofüller verwendet wird, (siehe auch Gross (1999 und Science, Bd. 283, S. 661)). Organische Moleküle mit dem Lösungsmittel Wasser werden, entlang der Spitze der Nanofeder geleitet, und scheiden sich auf der Oberfläche ab, wobei der Bewegungsrichtung des AFM gefolgt wird. Auf diese Weise lassen sich Strichdicken von 30nm erreichen.

Neuere Versuche von Chad Mirkin (Northwestern University) verwenden 16-Mercaptohexadecansäure und 1-Octadecanthiol als Moleküle, mit denen ein Nanofüller Strukturen schreibt, mit dem Ziel, funktionale elektronische Strukturen zu erzeugen.

Der Nachteil der Nanofeder ist wie bei dem Tintenstrahl-Verfahren die geringe Geschwindigkeit, sodass nur kleine Strukturen in einem vertretbaren Zeitrahmen erzeugt werden können. Steigerungspotential besitzt auch hier die Parallelisierung durch eine AFM-Matrix (siehe z.B. Prof. Calvin Quate (Standford University)).

Im Rahmen dieses Hardware-Projektes können auch Entwicklungen bezüglich Nanofedern mit dem Ziel erfolgen, ein möglichst kostengünstiges computergesteuertes System zu erzeugen. Grundsätzlich gilt dabei, dass eine Nanofeder wesentlich weniger Funktionen in einer geringeren Präzision ausführen muss als ein AFM, sodass die Nutzung von AFMs als Nanofeder quasi eine Übermotorisierung darstellt. Dass es möglich ist, Rastersondensysteme extrem kostengünstig herzustellen, wurde bereits 1992 im Rahmen des Bundeswettbewerb "Jugend forscht" im Fachgebiet Physik von Robert Nitzschmann gezeigt, der ein einfaches, kostengünstiges, computergesteuertes Raster-Tunnelmikroskop hergestellt hat (siehe z.B. Spektrum der Wissenschaft, 1/1992, S. 133f).

Mit einer grossen Menge paralleler und kostengünstiger Nanofedern würde ein Forschungsinstrument vorliegen, mit dem populationsbasierte Verfahren in der Nanotechnologie eingeführt werden könnten.

Verarbeitungstechnik: Selbstorganisation

Die am höchsten entwickelten Verarbeitungstechniken nutzen die Selbstorganisation der Moleküle, wenn das Lösungsmittel verdunstet, wobei DNA-Moleküle mit modifizierten Nukleotiden hierbei das grösste Potential besitzen dürften. Das Ziel ist, solche DNA-Moleküle in eine Lösung zu bringen, die nach dem Verdunsten des Lösungsmittels selbstorganisierend funktionale zwei- oder sogar drei-dimensionale Strukturen erzeugen, ohne dass externe, strukturierende Eingriffe erfolgen müssen.

Das die Selbstorganisation von zwei-dimensionalen Kristallen aus DNA-Molekülen mit festgelegten topographischen Eigenschaften möglich ist, haben Nadrian C. Seeman (New York University) und Erik Winfree (California Institute of Technology) gezeigt (Nature; 6. August 1998). Im Rahmen dieser Arbeiten wurde gezeigt, dass nahezu jede Struktur durch geeignete DNA-Bausteine realisierbar ist, sodass damit auch elektronisch funktionale Substrukturen und ihre Verknüpfung zu einer funktionalen Makrostruktur möglich sind, die als analoge, elektronische (bzw. magnetoelektrische) Hardware nutzbar wäre.

Andererseits könnte die periodische Kristallgitterstruktur aus DNA-Molekülen genutzt werden, um funktionale Moleküle einzulagern, sodass die Selbstorganisation von dem funktionalen Constraint befreit ist, und nur dem strukturellen Constraint unterliegt, der im Rahmen eines aktiv-evolutionären Suchprozesses möglicherweise leichter zu erfüllen ist. Denkbar wäre ein Entwicklungsprozess, der strukturelle Eigenschaften optimiert, sowie ein anderer Entwicklungsprozess, der funktionale Eigenschaften von DNA-Molekülen optimiert. Um ein System von Schaltungen, möglicherweise auf Molekularebene zu erzeugen ist, somit die Koevolution dieser beiden Entwicklungsprozesse notwendig.

Im Rahmen der Selbstorganisation könnten sich Nicht-Standard-Architekturen ergeben, die analoge Computingfähigkeiten besitzen, bzw. es kann mit einem aktiv-evolutionären Suchverfahren in Kombination mit geeigneten Simulationssystemen, welche die Evaluation übernehmen, nach solchen physikalischen Systemen gesucht werden, die durch einen bestimmten Typ von Selbstorganisation von Basiselementen entstehen, und die analoge Computingfähigkeiten besitzen. Bezüglich des Aufwandes der Erzeugung von Architekturen und deren Evaluation ist diese Vorgehensweise am anspruchsvollsten, und besitzt daher eine langfristige Realisierungsperspektive. Wesentlich sind dabei Zwischenschritte, die darauf abzielen, verschiedene Arten des Aufwandes innerhalb des Gesamtprozesses zu verringern, wozu insbesonder progressive Evaluationsumgebungen und Aktives Lernen zählen. Progressive Evaluationsumgebungen können beispielsweise durch Sampling und Fitness-Approximationsmodelle erreicht werden (siehe Software-Projekt SW04). Approximationsmodelle können wiederum durch eine Hardware direkt ausgeführt werden, wobei zur Simulation physikalischer Systeme analoge elektronische Hardware geeignet erscheint, die durch evolutionäre Lernprozesse konfiguriert werden kann (siehe Hardware-Projekte HW02, HW03, HW04).

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Referenzen

Aström, K. J.; Wittenmark, B.: Adaptive Control. Addison-Wesley, 1989.

Bao, Z. et al.: High-performance plastic transistors fabricated by printing techniques Chem. Mater. 1997, 9 1299.

Diorio, Chris: Neurally Inspired Silicon Learning: From Synapse Transistors to Learning Arrays, . 1997.

Drury, C. et al.: Low-cost all-polymer integrated circuits Appl. Phys. Lett. 1998, 73 108.

Gross, Michael: Drucken und Schreiben im Nanomassstab. Spektrum der Wissenschaft, 9/1999, S. 17ff.

Kaner, Richard B.; MacDiarmid, Alan G.: Elektrisch leitende Kunststoffe. Spektrum der Wissenschaft 4/1988, S. 54 - 59.

Layzell, Paul : A New Research Tool for Intrinsic Hardware Evolution. In: Proceedings of Second Int. Conf. on Evolvable Systems: From Biology to Hardware (ICES98)  September, 1998.

Risch, L.; Rösner,W.; Schulz, T.: Transistor verkehrt. In: Spektrum der Wissenschaft, 6/1999, S. 94f.

 


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Dokument zuletzt geändert am 05.12.1999