Revolution für KI-Rechenzentren? DNA-Speicher senken Energieverbrauch deutlich
(Bild: Paul Sunderland/Shutterstock.com)
Ein neues Speichermedium auf DNA-Basis könnte die Zukunft des KI-Computing revolutionieren. Die neue Technologie verbraucht deutlich weniger Energie.
Der Energiebedarf von rechenintensiven Datenzentren und KI-Systemen zählt zu den drängendsten Themen unserer Zeit. Dabei hält die Natur bereits seit Milliarden von Jahren eine mögliche Lösung bereit.
Die Rede ist von DNA, die nicht nur den genetischen Bauplan für lebendige Organismen enthält, sondern auch ein extrem effizienter Speicher für Informationen ist. Ein einziges Gramm DNA kann etwa 215 Millionen Gigabyte an Daten speichern.
Diese enorme Speicherdichte könnte der Schlüssel zu effizienteren Rechenzentren und neuen Systemen sein, die in der Lage sind, immer komplexere Informationen zu verarbeiten.
Dabei ist die Idee, DNA als Speicher zu verwenden, genau genommen nicht neu: Bereits 1959 beschrieb der Physiker Richard Feynman die Idee, Informationen auf molekularer Ebene zu speichern, und verwies dabei auf die DNA als natürliches Vorbild.
In den vergangenen Jahren waren DNA-Datenspeicher auch Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte. In der Praxis haben sich bisher jedoch verschiedene Probleme in der Umsetzung ergeben, wie beispielsweise das aufwendige Auslesen der DNA oder Schwierigkeiten, den biologischen Informationsspeicher in einer kompakten Form mit herkömmlicher Elektronik kompatibel zu machen.
Forschern der Pennsylvania State University ist es Anfang 2026 allerdings gelungen, das Potenzial der DNA in Form eines neuen Speicherelements nutzbar zu machen.
Wie die Wissenschaftler in ihrer Arbeit, die im Fachjournal Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde und auch Gegenstand einer Patentanmeldung ist, berichten, besteht die neue Technologie im Wesentlichen aus zwei Komponenten: kommerziell erhältlicher, synthetischer DNA, welche kurze genetische Segmente bildet, und dem Halbleitermaterial Perowskit, welches bereits in Solarzellen, Lasern und Datenspeichergeräten verwendet wird.
Ein Schlüssel für neuromorphes Rechnen
Zur Herstellung des Speicherelements verwendeten die Forscher maßgeschneiderte DNA-Sequenzen, die auf bestimmte Zusammensetzungen und Längen ausgelegt waren, und fügten diesen Silber-Nanopartikel hinzu.
Diese Schicht aus dotierter DNA wurde anschließend auf eine dünne Perowskitschicht aufgetragen. Durch die Zugabe der Silber-Nanopartikel konnten die DNA-Segmente nun Strom leiten. Gleichzeitig trug dies dazu bei, dass sich die Moleküleinheiten systematischer anordneten.
Mit diesen Materialien konnte das Team einen Speicherwiderstand, einen sogenannten "Memristor", entwickeln, der schon mit einer Spannung von weniger als 0,1 Volt zuverlässig arbeitet. Anders als ein herkömmlicher Widerstand mit festem Wert ändert ein Memristor seinen Widerstand abhängig vom zuvor geflossenen Strom und behält diesen Zustand auch nach dem Abschalten der Stromquelle. Das Bauelement kann sich sogar an die Richtung des vorherigen Stromflusses "erinnern".
Memristoren besitzen zudem die Fähigkeit, Informationen am selben Ort zu speichern und zu verarbeiten, anstatt beides in getrennten Komponenten zu erledigen, wie es bei klassischen Computerarchitekturen der Fall ist.
Diese Funktionsweise ähnelt der von menschlichen Neuronen im Gehirn und gilt im Forschungsfeld des neuromorphen Rechnens als möglicher Weg zu effizienteren KI-Architekturen.
Hundertmal weniger Energieverbrauch
Den Wissenschaftlern zufolge kann das neue System dieselbe Speicherfunktion wie vergleichbare Technologien erfüllen, verbraucht dabei jedoch nur ein Hundertstel der Energie.
"Da die Nachfrage nach künstlicher Intelligenz wächst, brauchen wir eine neue Strategie für Geräte mit geringem Stromverbrauch und hoher Speicherkapazität", sagte Bed Poudel, Materialwissenschaftler an der Penn State und korrespondierender Autor der Studie, in einer Pressemitteilung. Er betonte:
"Normalerweise benötigt man mehr Energie, um mehr Informationen zu speichern. Unser Gerät verbraucht jedoch 100-mal weniger Energie und verfügt über eine höhere Speicherkapazität als herkömmliche Speichergeräte wie Flash-Laufwerke."
Ob und wann die neue Technologie in industriellem Maßstab eingesetzt wird, bleibt allerdings vorerst offen, da dies unter anderem auch eine Frage von Produktionskosten, Kompatibilität mit bisherigen Speicherarchitekturen, Skalierbarkeit und Haltbarkeit der Speicherelemente ist.
Die ersten Daten sind jedoch vielversprechend: Auch über einen Zeitraum von sechs Wochen und bei Temperaturen von 120 Grad Celsius blieben die Memristoren stabil. Den Forschern zufolge übertraf die Technik damit im direkten Vergleich die Leistungsstandards herkömmlicher Speicherelemente auf Perowskitbasis.
Das Team plant nun, die Technologie weiter zu verbessern und zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten für bioinspirierte elektronische Systeme zu erforschen. Poudel sagte:
"Die Natur hat die Lösung – wir müssen sie nur finden und anwenden."