"Wird der Energieverbrauch von KI durch 'DNA×Halbleiter' drastisch reduziert? Eine neue Art von Speicher, die Biologie und Elektronik vereint"

Während sich generative KI rasch verbreitet, gibt es im Hintergrund ein Problem, das immer ernster wird.

Es ist der Stromverbrauch.

KI basiert nicht nur auf der Leistung des Modells selbst. Große Datenmengen werden aus dem Speicher gelesen, an die Recheneinheit gesendet und die Berechnungsergebnisse zurückgeschrieben. Dieser Vorgang wird unzählige Male wiederholt.

Deshalb wird es bei den Computern der nächsten Generation genauso wichtig sein, „wie schnell Berechnungen durchgeführt werden können“ wie „wie wenig Strom für das Speichern und Bewegen von Daten benötigt wird“.

In dieser Situation ist eine Forschung aufgetaucht, die den Speicher von Computern grundlegend verändern könnte.

Das verwendete Material ist erstaunlicherweise DNA.

Ein Forscherteam der Pennsylvania State University und anderer Institutionen hat ein neues Speichermodul entwickelt, das mit sehr niedriger Spannung arbeitet, indem es synthetisch entworfene DNA mit einem Halbleitermaterial namens „Perowskit“ kombiniert.

In dieser 2026 in Advanced Functional Materials veröffentlichten Studie wird DNA nicht nur als „Molekül zur Aufzeichnung von Lebensinformationen“ genutzt, sondern als „funktionales Material“ zur Konstruktion elektronischer Schaltkreise.

Biologie und Halbleitertechnik.

Zwei Bereiche, die bisher weitgehend getrennt entwickelt wurden, beginnen sich ernsthaft zu überschneiden.

DNA wurde als das „ultimative Speichermedium“ bezeichnet

Wenn man an DNA denkt, denken viele Menschen an genetische Informationen.

Es ist ein Molekül, das die Informationen von Lebewesen durch die Sequenz der vier Basen A, T, G und C speichert.

Und DNA hat noch ein weiteres erstaunliches Merkmal.

Es ist die extrem hohe Informationsdichte.

Laut der Veröffentlichung der Pennsylvania State University könnte theoretisch 1 Gramm DNA etwa 215 Millionen GB Daten speichern.

Das ist eine Informationsdichte, die sich völlig von der derzeit verwendeten SSD oder HDD unterscheidet.

Deshalb wird weltweit seit langem an der Forschung zur „DNA-Speicherung“ gearbeitet, bei der digitale Daten in DNA-Basensequenzen umgewandelt und langfristig gespeichert werden.

Es gibt jedoch einen wichtigen Punkt, um die aktuelle Forschung zu verstehen.

Das entwickelte Gerät unterscheidet sich etwas von der herkömmlichen „DNA-Speicherung“, bei der Fotos oder Videos als A-, T-, G-, C-Sequenzen in DNA gespeichert werden.

DNA selbst wird als Material für elektronische Geräte genutzt.

Das Forscherteam konzentrierte sich auf die Eigenschaft, dass DNA künstlich entworfen werden kann.

„Synthetische DNA“, die für elektronische Schaltkreise entworfen wurde, nicht „natürliche DNA“

Natürliche DNA, die aus Lebewesen extrahiert wird, ist sehr lang.

In den Worten der Forscher lässt sie sich leicht wie „nasse Spaghetti“ verheddern.

Diese Eigenschaft ist schwer zu handhaben, wenn man sie als elektronische Komponente im Nanometerbereich präzise platzieren möchte.

Deshalb verwendete das Forscherteam kurze synthetische DNA.

In der Studie wird synthetische DNA mit einer Länge von 22 Basen, die Silber-Nanopartikel enthält, verwendet.

Kurze DNA lässt sich leicht in Bezug auf Länge, Basensequenz und Molekülstruktur für den jeweiligen Zweck entwerfen.

Das bedeutet, dass DNA nicht als

„etwas, das aus Lebewesen extrahiert und verwendet wird“

sondern als

„Nanomaterial, das auf einem Computer entworfen und mit den erforderlichen Eigenschaften hergestellt wird“

behandelt wurde.

Darüber hinaus fügte das Forscherteam dieser DNA Silber-Nanopartikel hinzu.

Dies ist ein Prozess, der als Doping bezeichnet wird.

Dadurch wurde die elektrische Eigenschaft der DNA-Schicht angepasst, sodass sie als Pfad für den Elektronenfluss genutzt werden konnte.

Und kombiniert mit dieser synthetischen DNA, die Silber-Nanopartikel enthält, war ein Halogenid-Perowskit mit quasi-zweidimensionaler Struktur.

Perowskit ist ein Material, das auch in Solarzellen Beachtung findet, und wird aufgrund seiner Fähigkeit zur Kontrolle elektrischer Eigenschaften auch als zukünftiges Speichermaterial erforscht.

Interessanterweise erreichte weder DNA allein noch Perowskit allein die gleiche Leistung.

Die Kombination dieser beiden unterschiedlichen Materialien erzeugte stabile Strompfade und Speichereigenschaften.

Es ist ein wahrhaft „bio-hybrides“ elektronisches Gerät.

Das entwickelte Gerät ist ein „Memristor“

Das in dieser Studie untersuchte Gerät wird als „Memristor“ bezeichnet.

Der Name kombiniert Memory und Resistor und wird im Deutschen als „Speicherwiderstand“ übersetzt.

Ein normaler Widerstand ist eine elektronische Komponente, die bestimmt, wie viel Strom fließt.

Ein Memristor hingegen ändert seinen Widerstandszustand basierend auf dem Strom, der in der Vergangenheit geflossen ist, und kann diesen Zustand beibehalten.

Das bedeutet, dass die elektronische Komponente selbst „sich merken kann, welche elektrischen Signale sie zuvor erhalten hat“.

Dies ist der Hauptgrund, warum es von KI-Forschern beachtet wird.

In den heutigen Computern sind der Prozessor, der für die Berechnung zuständig ist, und der Speicher, der die Daten speichert, getrennt.

Wenn die CPU oder GPU berechnet,

werden die Daten aus dem Speicher gelesen
↓
an den Prozessor gesendet
↓
berechnet
↓
und das Ergebnis wieder in den Speicher zurückgeschrieben

- dieser Vorgang tritt mehrmals auf.

Bei umfangreichen KI-Berechnungen verbraucht dieser „Datenbewegungsvorgang“ selbst Zeit und Strom.

Mit einem Memristor könnte die Speicherung und Berechnung an einem nahegelegenen Ort oder sogar im selben Element erfolgen.

Dies führt zu Technologien der nächsten Generation wie „In-Memory-Computing“ oder „neuromorphes Computing“.

Eine Spannung von weniger als 0,1 Volt

Eine besonders beachtete Zahl in dieser Studie ist „unter 0,1 V“.

Laut der Studie konnte der entwickelte Memristor seinen Widerstandszustand mit einer sehr niedrigen Spannung von unter 0,1 V ändern.

Das Forscherteam berichtete außerdem von einer niedrigen Leistungsdichte von 0,01 W/cm².

In einem Haltbarkeitstest wurden etwa 1000 Betriebszyklen gezeigt, und der elektrische Unterschied zwischen dem EIN- und AUS-Zustand überstieg das 100.000-fache.

Selbst bei Raumtemperatur und unter normalen atmosphärischen Bedingungen wurde ein hoher EIN/AUS-Verhältnis über mehr als sechs Wochen aufrechterhalten.

Da Stabilität bei Perowskit-basierten Geräten ein großes Problem darstellt, ist der Punkt, dass „die Zugabe von DNA nicht nur die Leistung, sondern auch die Stabilität verbessert hat“, ein wichtiger Teil dieser Forschung.

In der Veröffentlichung der Universität wird erklärt, dass im Vergleich zu herkömmlichen Technologien „100-mal weniger Strom verbraucht wird“, und diese Zahl wurde über ScienceDaily und andere Kanäle groß berichtet.

Hier ist jedoch Vorsicht geboten.

In derselben Universitätsveröffentlichung gibt es auch die Aussage, dass „die gleiche Speicherfunktion mit einem Zehntel der Energie erreicht werden kann“.

Im Abstract der begutachteten Studie werden hauptsächlich die Messergebnisse des Geräts wie die Betriebsspannung von unter 0,1 V, die Leistungsdichte von 0,01 W/cm², die Haltbarkeit und die Speichercharakteristik hervorgehoben.

Daher ist es verfrüht, daraus zu schließen, dass „die derzeitigen SSDs oder DRAMs mit einem Hundertstel der Energie betrieben werden können“.

Die Zahl „100-fach“ sollte als ein Vergleichswert betrachtet werden, der den Einfluss der Forschungsergebnisse zeigt, und es ist wichtig zu sehen, mit welcher bestehenden Technologie und unter welchen Bedingungen verglichen wird.

Warum es gut zu KI passt

Der Grund, warum diese Forschung nicht nur eine Geschichte über neue Speicher ist, liegt in ihrer Kompatibilität mit KI.

Derzeit werden in der KI weit verbreitet neuronale Netzwerke verwendet.

Künstliche neuronale Netzwerke sind von den neuronalen Schaltkreisen des Gehirns inspiriert, aber die derzeit gängigen KI-Chips berechnen nicht auf die gleiche Weise wie das menschliche Gehirn.

Im Gehirn sind die Synapsen, die Verbindungsstellen zwischen Neuronen, direkt an der Informationsverarbeitung und dem Gedächtnis beteiligt.

In einem typischen Computer sind jedoch Speicher- und Recheneinheiten getrennt.

Hier kommt das neuromorphe Computing ins Spiel.

Wenn man den Widerstandswert eines Memristors als „Stärke der Verbindung“ einer künstlichen Synapse betrachtet, könnte ein Teil der massiven Matrixberechnungen direkt im Speicher ausgeführt werden.

Hierbei spielt der Energieverbrauch eine entscheidende Rolle.

Selbst wenn man Millionen oder Milliarden künstlicher Synapsen hinzufügt, wäre es nicht praktikabel, wenn jede einzelne einen hohen Energiebedarf hätte.

Der Grund, warum der DNA-Perowskit-Memristor, der seinen Zustand mit sehr niedriger Spannung ändern kann, Aufmerksamkeit erregt, liegt hier.

In Zukunft könnte er in

KI-Beschleunigern
Edge-KI
autonomen Sensoren
Robotern
tragbaren Geräten
neuromorphen Prozessoren

und anderen Geräten angewendet werden, die mit begrenzter Energie große Informationsmengen verarbeiten müssen.

„Weil es DNA ist, passt viel Daten hinein“ ist nicht ganz richtig

Es ist wichtig, einen besonders missverständlichen Teil dieser Nachricht anzusprechen.

„DNA kann 215 Millionen GB in einem Gramm speichern“

und

„der in dieser Studie hergestellte DNA-Memristor“

direkt miteinander zu verbinden und zu denken,

„Ein Halbleiter, der 215 Millionen GB in einem Gramm speichern kann, wurde hergestellt“

ist nicht korrekt.

Bei der DNA-Speicherung wird die digitale Information direkt in die Sequenz der Basen A, T, G und C geschrieben.

In diesem Gerät wird synthetische DNA mit Silber-Nanopartikeln kombiniert und als Material zur Steuerung des Ladungstransports und des Widerstandsschaltens verwendet.

Das Wesentliche der Forschung ist also nicht,

„Dateien in DNA gespeichert zu haben“,

sondern

„DNA als molekulares Material in Halbleiter als programmierbares elektronisches Material integriert zu haben“.

Langfristig könnte dies sogar eine größere Bedeutung haben.

Bisher standen bei Halbleitermaterialien Silizium, Oxide, Metalle und verschiedene Verbindungen im Mittelpunkt.

Wenn biomolekulare Materialien wie DNA ernsthaft hinzukommen, könnte sich eine neue Welt elektronischer Materialien eröffnen, die auf molekularer Ebene entworfen werden können.

In sozialen Netzwerken wird es als „Science-Fiction wird Realität“ wahrgenommen

Diese Forschung wird in sozialen Netzwerken im Kontext von „Biologie trifft Elektronik“ vorgestellt.

Auf X gibt es Beiträge, die den Punkt betonen, dass „synthetische DNA und Halbleiter für ultra-niedrigenergieverbrauchende Speicher verwendet wurden“, zusammen mit dem Titel des ScienceDaily-Artikels.

Auch auf LinkedIn hat Penn State Research die Forschungsergebnisse vorgestellt und sie als „Technologie der nächsten Generation für energiesparende und hochkapazitive Datenspeicherung“ positioniert.

Andere technologiebezogene Accounts betonen

„Die Natur speichert seit Milliarden von Jahren Informationen in DNA“

„Endlich gibt es Forschung, die DNA mit elektronischen Schaltkreisen verbindet“

„Es könnte die Energieeffizienz von KI-Hardware verändern“

und stellen es in einem zukunftsorientierten Kontext vor.

Besonders auf sozialen Netzwerken ziehen die drei Schlüsselwörter „DNA“, „100-fache Energieeinsparung“ und „KI“ Aufmerksamkeit auf sich.

Da sich die Bereiche Lebenswissenschaften und Computertechnik, die auf den ersten Blick weit