KAIST kartiert Speicherchip-Leitpfade, während GIST KI-Schnittstellen voranbringt und POSTECH neuen Studiengang einrichtet

Winzige Erhebungen auf Elektroden geben Hinweise auf stabilere Speicher

Forschende des KAIST haben elektrische Leitpfade in einer nur 10 Nanometer dicken Titandioxidschicht rekonstruiert. Dabei stellten sie fest, dass winzige Erhebungen auf einer Platinelektrode beeinflussen, wo die Leitpfade anschließen. Das Team trug jeweils etwa 0,1 Nanometer Material ab und kombinierte 100 Stromkarten, um Strukturen sichtbar zu machen, die in einer möglichen Technologie für künftige Speicherchips verborgen liegen.

Die Ergebnisse stehen am Anfang einer Reihe von Entwicklungen, die südkoreanische Wissenschaftsuniversitäten am 12. November bekannt gaben. Das Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) meldete Auszeichnungen für Forschungsarbeiten zur Erzeugung visueller Effekte und zur Wiedergabe von Berührungen. Außerdem veranstaltete es gemeinsam mit der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) einen Workshop zu digitalen Modellen für die Landwirtschaft. POSTECH kündigte einen Studiengang an, der künstliche Intelligenz mit menschlicher Kognition, Ethik und öffentlicher Politik verbindet.

Jede dieser Entwicklungen befasst sich mit einem anderen praktischen Problem: elektronische Speicher zuverlässiger zu machen, Menschen direktere Möglichkeiten zu geben, digitale Inhalte zu erstellen und wahrzunehmen, Agrartechnologie unter realen Bedingungen zu erproben und Forschende auszubilden, die KI-Entwicklung mit ihren gesellschaftlichen Auswirkungen verknüpfen können.

Am KAIST leiteten die Professoren Hong Seung-bum und Park Sang-hee aus dem Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik die beteiligten Forschungsgruppen. Ihre zentrale Beobachtung zeigte sich bei fünf elektrischen Leitpfaden, die sich an unterschiedlichen Stellen gebildet hatten: Die Pfade endeten eher auf kleinen Erhebungen als auf flachen Bereichen der unteren Elektrode.

Warum ein Speicherchip einen vorhersehbaren Strompfad braucht

Resistiver Direktzugriffsspeicher, kurz RRAM, speichert Informationen, indem er verändert, wie leicht Strom durch eine dünne Materialschicht fließt. Ein schmaler leitender Pfad, der sogenannte leitfähige Filament, ermöglicht den Stromfluss. Wird diese Verbindung unterbrochen oder geschwächt, entsteht ein Zustand mit höherem elektrischem Widerstand. Die beiden Zustände können die digitalen Werte null und eins darstellen.

RRAM speichert Informationen auch dann, wenn die Stromversorgung abgeschaltet ist. Seine einfache Struktur und die schnellen Schaltvorgänge machen es zudem zu einem vielversprechenden Forschungsansatz für Speicherbausteine und Computerhardware, die von Nervenzellnetzwerken im Gehirn inspiriert ist.

Wenn sich ein Filament jedes Mal anders bildet, entsteht ein praktisches Problem. Seine Lage und Form beeinflussen die Spannung, die zum Schreiben oder Löschen von Informationen erforderlich ist. Schwankungen im Material können daher den zuverlässigen Betrieb des Bauelements erschweren. Im Experiment des KAIST wurde untersucht, wie die Oberfläche unter dem Material den leitenden Pfad mitbestimmt.

Ein dreidimensionales Bild, Schicht für Schicht

Das KAIST-Team untersuchte Titandioxid auf einer Platinelektrode. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Die gesamte 10 Nanometer dicke Schicht ist damit viel zu klein, um sie mit einem gewöhnlichen Mikroskop zu untersuchen.

Die Forschenden nutzten ein leitfähiges Rasterkraftmikroskop. Das Gerät verfügt über eine feine Spitze, mit der sich eine Oberfläche abtasten und elektrischer Strom messen lässt. Eine harte Spitze aus Einkristalldiamant trug das Material unter stärkerem Druck ab. Anschließend ermittelten Messungen unter geringerem Druck, an welchen Stellen in der neu freigelegten Tiefe Strom floss.

Durch 100 Wiederholungen dieses Vorgangs entstanden 100 Karten. Bei jedem Schritt wurde etwa ein Hundertstel der ursprünglichen Schichtdicke abgetragen: 0,1 Nanometer von insgesamt 10 Nanometern. Durch das Übereinanderlegen der Karten ließ sich das Volumen des Filaments rekonstruieren, ähnlich wie sich durch das Kombinieren von Schichtbildern das Innere eines Objekts sichtbar machen lässt. In diesem Fall trugen die Forschenden die Probe während der Messung jedoch physisch ab.

Das rekonstruierte Filament ähnelte einem Trichter: Oben an der Sonde war es breit und verjüngte sich nach unten zur Platinelektrode. Etwa 0,8 Nanometer unter der Sonde zeigte sich eine verengte Stelle, die als Hals bezeichnet wird. Dieses Detail lieferte dem Team neben dem Endpunkt des Filaments ein weiteres Merkmal, das sich erklären ließ.

Wie die Elektrodenoberfläche das Wachstum lenkt

Die fünf unabhängig voneinander gebildeten Filamente schlossen tendenziell an Erhebungen auf der Platinoberfläche an. Eine Elektrode, die aus größerer Entfernung glatt erscheint, kann dennoch Spitzen und Vertiefungen aufweisen, die nur wenige Nanometer hoch oder tief sind. Diese Merkmale beeinflussen die elektrischen Bedingungen in ihrer unmittelbaren Umgebung.

Die Forschenden brachten dieses Muster mit Konzentrationen des elektrischen Feldes in Verbindung. Das Feld erzeugt Kräfte, die elektrische Ladungen bewegen. Spitzen können das Feld bündeln, ähnlich wie die Spitze eines Blitzableiters. Berechnungen mit der Finite-Differenzen-Methode, bei der das Feld an vielen kleinen Punkten näherungsweise bestimmt wird, stützten diese Erklärung.

Die Simulationen zeigten stärkere Felder sowohl an der oberen Sonde als auch an Erhebungen der unteren Elektrode. Das Team deutete diese Feldkonzentrationen als Orientierung, die das Wachstum des Filaments und dessen endgültige Verbindung beeinflusst.

Titandioxid kann Sauerstoffleerstellen enthalten, also Stellen, an denen Sauerstoffatome fehlen. Diese Leerstellen ermöglichen die Bildung leitfähiger Pfade. Aus den Strommessungen schlossen die Forschenden, dass sich Leerstellen in der Nähe der unteren Elektrode im Zentrum des Filaments ansammelten. Außerdem vermuteten sie, dass Unterschiede zwischen der Bildung und der Bewegung von Leerstellen den schmalen Hals im oberen Bereich erklären könnten.

Wie es mit der Forschung am KAIST weitergeht

Hong Seung-bum, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am KAIST und korrespondierender Autor der Studie, bezeichnete den Zusammenhang zwischen Filament und Elektrode als zentralen Beitrag der Arbeit:

„Diese Studie beschränkt sich nicht darauf, die dreidimensionale Form leitfähiger Filamente zu beobachten. Ihre Bedeutung liegt darin, Form und Endpunkte der Filamente mit der tatsächlichen Nanostruktur der Elektrode in Verbindung zu bringen“, sagte Hong.

Als Nächstes soll untersucht werden, ob sich Filamente durch gezielt gestaltete Elektrodenoberflächen an ausgewählten Stellen in funktionsfähigen Speicherbauelementen bilden lassen. Um den praktischen Nutzen nachzuweisen, müssen die Lebensdauer des Speichers, die Schreibgeschwindigkeit und die Zuverlässigkeit des Betriebs gemessen werden. Das Team plant, verschiedene Elektrodenmaterialien, Oberflächenformen, Oxidzusammensetzungen und Betriebsbedingungen zu untersuchen.

Park Kun-woo, Student im integrierten Master- und Promotionsprogramm des KAIST, war Erstautor der Studie. Die Arbeit mit dem Titel Three-Dimensional Visualization of Conductive Filaments in TiO2 via Conductive Atomic Force Microscopy Tomography wurde am 11. August online in Nano Letters veröffentlicht.

Gefördert wurde die Arbeit vom Ministerium für Wissenschaft und IKT sowie vom Kernforschungsprogramm der National Research Foundation of Korea. Hinzu kam eine strategische Forschungskooperation mit der Device Solutions Division von Samsung Electronics. Die Ergebnisse machen die Geometrie der Elektrodenoberfläche zu einer weiteren Stellgröße, die Forschende untersuchen können, um Schwankungen im RRAM-Betrieb zu verringern.

GIST macht aus schriftlichen Ideen bearbeitbare visuelle Effekte

Das Human-Centered Intelligent Systems Laboratory des GIST unter der Leitung von Kim Seungjun, Professor an der School of Artificial Intelligence, stellte vom 2. bis 5. November auf der ACM UIST 2026 in Detroit vier Forschungsarbeiten vor. Die Konferenz widmet sich Technologien, die prägen, wie Menschen mit Computern interagieren.

Das Labor erhielt einen Best Paper Award für SpeLL, ein System, das anhand einer schriftlichen Beschreibung einen Entwurf für einen dreidimensionalen visuellen Effekt erstellt. Anschließend lässt sich das Ergebnis mithilfe generativer KI verändern und bearbeiten.

Der bearbeitbare Entwurf ist der entscheidende Zwischenschritt zwischen der Beschreibung einer Idee und der Ausarbeitung ihres Erscheinungsbilds. Statt ein unveränderliches Ergebnis zu liefern, stellt das Verfahren Material bereit, das die Nutzerinnen und Nutzer überarbeiten können. Eine schriftliche Anfrage wird so zum Ausgangspunkt für weitere kreative Entscheidungen.

SpeLL befasst sich mit einem anderen Teil des Computererlebnisses als das Speicherexperiment am KAIST. Dort untersuchten die Forschenden physische Strukturen, die den Stromfluss in einem Material bestimmen. Das System des GIST verändert dagegen, wie Menschen einer Software das gewünschte visuelle Ergebnis vermitteln.

Berührungen werden zu einem weiteren Kanal für digitale Interaktion

Zwei gemeinsam von Forschenden des GIST und des MIT erstellte Arbeiten untersuchten haptische Schnittstellen für virtuelle Realität und Alltagsgegenstände. Haptik bezeichnet die Vermittlung über den Tastsinn, bei der körperliche Empfindungen Teil der Interaktion mit einem Computer oder einer digitalen Umgebung sind.

Das GIST erhielt außerdem den Participants' Choice Best Poster Award für Surf-Roll, eine Technologie, die den Fingerspitzen das Gefühl rutschiger oder klebriger Oberflächen vermitteln soll. Dabei geht es darum, wie sich eine Oberfläche beim Berühren oder Darüberstreichen anfühlt, und nicht nur darum, wie sie aussieht.

Die Projekte erweitern die Arbeit des Labors über die visuelle Ausgabe hinaus. SpeLL hilft Nutzerinnen und Nutzern, einen Effekt mithilfe von Sprache zu gestalten. Die haptischen Studien untersuchen, wie eine Schnittstelle Informationen über den Körper vermitteln kann. Für Menschen, die virtuelle Realität nutzen, wird die Berührung dadurch neben den Bildern zu einem weiteren Bestandteil des Erlebnisses.

GIST und FAO untersuchen digitale Modelle für die Landwirtschaft

Am 11. November veranstaltete das GIST gemeinsam mit der FAO und der Sunchon National University einen Expertenworkshop zur Gestaltung digitaler Zwillinge für die Landwirtschaft. Mehr als 20 Fachleute aus Südkorea und dem Ausland kamen im Gebäude A des GIST College zusammen, um über KI, Landwirtschaft, Lebensmittelversorgungsketten und internationale Zusammenarbeit zu sprechen.

Ein digitaler Zwilling ist eine Computerdarstellung, die über Daten mit einem realen Objekt oder Prozess verknüpft ist. In der Landwirtschaft und den Lebensmittelversorgungsketten sollen damit tatsächliche Bedingungen so genau abgebildet werden, dass sich Abläufe und mögliche Veränderungen untersuchen lassen.

Forschende des GIST und der Sunchon National University stellten gemeinsam mit Vertretern südkoreanischer Unternehmen Entwicklungsarbeiten und Technologiedemonstrationen vor. Bei einer anschließenden Podiumsdiskussion ging es um mögliche Anwendungsbereiche, Hindernisse bei der Einführung und Prioritäten für Projekte.

Die beteiligten Einrichtungen wollen gemeinsame Forschungsthemen festlegen, vorrangige Testbereiche auswählen und den praktischen Einsatz in der Landwirtschaft schrittweise bewerten. Zunächst geht es darum, festzulegen, was geprüft werden soll und wo. So erhält die Zusammenarbeit einen konkreten Ablauf, der von einer technischen Demonstration bis zum Einsatz im Feld führt.

POSTECH verbindet KI-Entwicklung mit Gesellschaft und Politik

POSTECH hat im Fachbereich Geistes- und Sozialwissenschaften den Masterstudiengang Human-centered AI & Society eingerichtet, kurz HAIS. Die ersten Studierenden werden im ersten Semester des Studienjahrs 2027 aufgenommen.

Neben Lehrenden aus der KI-Entwicklung beteiligen sich Fachleute aus Philosophie und Ethik, Wirtschaft und Politik, Gesellschaft und Kultur sowie menschlicher Kognition. Der Studiengang führt technische Entwicklung und Fragen zum menschlichen Verhalten und zu gesellschaftlichen Institutionen in einer gemeinsamen Ausbildungsstruktur zusammen.

Die beiden Schwerpunkte heißen Human & Cognition und Society & Governance. Vier Spezialisierungsmodule befassen sich mit Medien, Kultur und Narrativen, Geist, Gehirn und Kognition, angewandter Wirtschaft und Politik sowie KI-Ethik und institutionellen Rahmenbedingungen.

Der Lehrplan bietet Raum für die Untersuchung sowohl menschlicher Denkprozesse als auch der Frage, wie Regeln und öffentliche Entscheidungen den Einsatz von KI beeinflussen. Diese Themen stehen in direktem Zusammenhang mit den praktischen Fragen, die sich aus den Projekten der anderen Universitäten ergeben: Wie Menschen kreative Software steuern, digitale Umgebungen erleben und entscheiden, wo KI in der Landwirtschaft zuerst erprobt werden sollte.

Für den 17. November setzte POSTECH eine Informationsveranstaltung zum Bewerbungsverfahren an, an der online oder vor Ort teilgenommen werden kann. Bewerbungen für den ersten Jahrgang sollen vom 1. bis 11. Dezember eingereicht werden können.

Termine von der Veröffentlichung bis zum ersten Studienjahrgang

Die Ankündigungen umfassen abgeschlossene Forschungsarbeiten, eine Konferenzauszeichnung, einen Planungsworkshop und ein bevorstehendes Bewerbungsverfahren. Die zeitliche Abfolge reicht von der Veröffentlichung der KAIST-Studie bis zum ersten Jahrgang von POSTECH im Jahr 2027.

• 11. August: Die Studie des KAIST zur Bildgebung von Filamenten wurde online in Nano Letters veröffentlicht.
• 2. bis 5. November 2026: Die ACM UIST fand in Detroit statt. Das GIST stellte dort seine Forschung vor und erhielt zwei Auszeichnungen.
• 11. November: Das GIST, die FAO und die Sunchon National University veranstalteten den Workshop zu digitalen Zwillingen für die Landwirtschaft.
• 12. November: Die Universitäten gaben ihre Forschungsentwicklungen und Studiengangpläne bekannt.
• 17. November: POSTECH setzte eine Informationsveranstaltung zum Bewerbungsverfahren für HAIS an.
• 1. bis 11. Dezember: POSTECH plant, Bewerbungen für den ersten HAIS-Jahrgang entgegenzunehmen.
• Erstes Semester 2027: Der neue Studiengang nimmt seine ersten Studierenden auf.

Die wichtigsten Punkte

• Das KAIST rekonstruierte anhand von 100 Karten aus aufeinanderfolgenden Tiefen Strompfade in einem 10 Nanometer dünnen Speichermaterial.
• Fünf Filamente schlossen tendenziell an winzige Erhebungen einer Platinelektrode an. Simulationen des elektrischen Feldes stützten diese Beobachtung.
• Weitere Experimente sollen Oberflächengestaltungen testen und ihre Auswirkungen auf funktionsfähige Speicherbauelemente messen.
• Das GIST erhielt Auszeichnungen für SpeLL, das bearbeitbare visuelle Effekte erzeugt, und Surf-Roll, das Fingerspitzen Oberflächenempfindungen vermittelt.
• Das GIST, die FAO und die Sunchon National University legen Forschungsschwerpunkte und Testprioritäten für digitale Zwillinge in der Landwirtschaft fest.
• Der HAIS-Studiengang von POSTECH beginnt 2027. Bewerbungen sollen vom 1. bis 11. Dezember möglich sein.