Innovationswettbewerb „Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik“
Moderne Rechenzentren, das Internet der Dinge und Künstliche Intelligenz machen unsere Arbeits- und Alltagswelt an vielen Stellen effektiver, schneller und komfortabler. Mit neuen Sensoren und der intelligenten Steuerung von Geräten, Anlagen, Prozessen oder Netzen lässt sich zudem oft energieeffizienter arbeiten. Gleichzeitig verbrauchen diese Digitaltechnologien aber selbst auch eine Menge Energie. Um am Ende eine positive Energiebilanz vorweisen zu können, müssen die Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) also insgesamt energiesparsamer werden, damit kein Reboundeffekt entsteht. Dazu bedarf es wesentlicher Weiterentwicklungen in den Bereichen der Leistungselektronik, aber auch in der Sensorik.
Der Innovationswettbewerb „Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik“ will dazu einen Beitrag leisten und hat zehn von 22 Forschungsteams, die sich auf die Ausschreibung beworben hatten, aufgefordert, energiesparsame Systeme zu entwickeln. Am 1. Oktober 2020 starteten die zehn Teams aus Forschungseinrichtungen, Universitäten und Hochschulen, um entsprechend innovative Forschungsprojekte zu konzipieren. Die Projekte wurden vom BMBF jeweils mit bis zu 250.000 Euro gefördert.
An der Entwicklung energieeffizienter IKT besteht national und international großes Interesse, da die Digitalisierung in den kommenden Jahren einen immer größeren CO2 Fußabdruck erzeugen wird. Im Wettbewerb werden deshalb Technologien entwickelt, die dazu beitragen, die Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen.
Inhalt
- Der Wettbewerb
- Aufgabe
- Preise
- Begleitforschung
- Auswahl der Siegerteams
- Mitglieder des Fachgremiums
- Teilnehmende des Wettbewerbs
- Sieger
Der Wettbewerb
Aufgabe
Zehn Teams aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen waren aufgefordert in Konkurrenz zueinander Lösungsansätze für energiesparsame Informations- und Kommunikations (IKT)-Systeme zu entwickeln, die auf neuen Ideen für besonders energieeffiziente Elektronik beruhen. Diese sollten auf gesellschaftlich relevante Anwendungen in den Sektoren Industrie, Mobilität, Gesundheit, Energie oder Gebäudetechnik ausgelegt sein. Am Ende gewannen die Teams, deren Ansätze sowohl ein großes Einsparpotenzial für Energieverbrauch und CO2-Emissionen belegen konnte, als auch eine außerordentliche Innovationshöhe im Bereich der Elektronik mit großer Hebelwirkung für die Mikroelektronik in Deutschland aufwiesen.
Preise
Die Siegerteams erhalten die exklusive Möglichkeit, ihr im Wettbewerb konzipiertes Forschungsprojekt beim BMBF für eine Weiterförderung einzureichen. Gemeinsam in einem Verbund mit starker Industriebeteiligung sollen die Siegerteams ihre Lösungsansätze zu Systemen weiterentwickeln, die in konkreten Produkten oder Dienstleistungen angewendet werden können. In der Wettbewerbsphase wurden die zehn teilnehmenden Wettbewerbsteams bereits vom BMBF (mit insgesamt ca. 2,5 Mio. Euro) finanziell unterstützt. Für die Siegerteams stehen weitere Mittel in Höhe von 12 Mio. Euro für die Umsetzung ihrer Projekte zur Verfügung.
Begleitforschung
Die Teilnehmenden wurden während des Wettbewerbs von der Arbeitsgruppe Environmental & Reliability Engineering des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM begleitet. Die Arbeitsgruppe, geleitet von Dr. Nils Nissen, unterstützte technische Entwicklungen auf dem Weg zur Marktreife durch Umwelt- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen von der Nanocharakterisierung bis zur Bewertung und Optimierung auf Systemebene. Innerhalb des Wettbewerbs wurden durch Dr. Lutz Stobbe und seine Arbeitsgruppe Workshops zur Methodik und Auswertung von Potenzialanalysen und individuelle Treffen zur Besprechung der konkreten Anwendungsfälle durchgeführt.
Auswahl der Siegerteams
Zur Teilnahme am Wettbewerb haben sich deutschlandweit 22 Teams aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen beworben von denen zehn Teams für den Wettbewerb ausgewählt wurden (siehe Abb. Deutschlandkarte). Die Siegerprojekte wurde im Rahmen einer Auswahlsitzung mit dem Fachgremium und dem BMBF auf Grundlage der in der Bekanntmachung genannten Kriterien bestimmt:
- Einsparpotenziale für Energie bzw. CO2,
- Innovationshöhe des Konzeptes bezogen auf Elektronik-Hardware,
- die wissenschaftlich-technische Qualität des Lösungsansatzes und
- die Relevanz des Konzeptes für eine wirtschaftliche Umsetzung in Deutschland
Am 18. August 2021 wurden die Sieger im Rahmen einer virtuellen Preisverleihung durch Frau Ina Schieferdecker, Leiterin der Abteilung "Forschung für technologische Souveränität und Innovation" des BMBF verkündet.
Mitglieder des Fachgremiums
Das Fachgremium bestand aus folgenden Expertinnen und Experten aus Anwendungsindustrie, Mikroelektronik und Materialforschung.
Herr Dr. Kai Kriegel
- Siemens CT und Hochschule München
- Experte auf dem Gebiet der Leistungselektronik und Antriebstechnik, insbesondere für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Herr Dr. Stefan Leidich
- Robert Bosch GmbH
- Leiter der Gruppe "Microsensorsystems" in der Abteilung "Advanced Technologies and Micro Systems". Experte im Bereich Inertialsensoren, Quantensensoren und Intelligente Sensoren
Frau Prof. Dr.-Ing. Amelie Hagelauer
- Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Lehrstuhl für Kommunikationselektronik
- Schwerpunkte der Forschungstätigkeit sind elektronische Systeme, integrierte RF/Analog/Mixed-Signal-Schaltkreise, Mikrowellenakustik und HF MEMS
Frau Prof. Dr. rer. nat. habil. Inga Fischer
- Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg,
- Leiterin des Fachgebiets Experimentalphysik und funktionale Materialien und Expertin im Bereich optoelektronische Bauelemente und Spintronik vorallem für SiGeSn
Herr Dr. Klaus Grobe
- ADVA Optical Networking SE
- Leiter des globalen Nachhaltigkeitsprogramms von ADVA mit Fokus auf Verbesserung der Energieeffizienz von Telekommunikationsnetzwerken. Durch den Einsatz von Techniken der Kreislaufwirtschaft trägt die Arbeitsgruppe dazu bei, Abfall zu reduzieren und das Recycling zu verbessern.
Teilnehmende des Wettbewerbs
DAKORE - Datenfunknetz mit Adaptivhardware und KI-Optimierung zur Reduktion des Energieverbrauches - (Technische Universität Dresden)
Ziel des Projektes DAKORE ist es, eine Energieeinsparung im Bereich der Leistungsverstärker von Mobilfunkbasisstationen zu erreichen, die über die Nutzung von adaptiver und KI-basierter Hard- und Software funktioniert.
E4C - Extrem Energieeffiziente Edge Cloud Hardware am Beispiel Cloud Radio Access Network - (Technische Universität Dresden)
Ziel des Projektes E4C ist die Entwicklung hocheffizienter Edge-Server-Hardware-Architektur, um das zukünftige virtualisierte Mobilfunkzugangsnetz (virtual Radio Access Network - vRAN) zu realisieren.
EdgeLimit - Grenzbetrachtungen der Leistungselektronik in modernen Edge-Cloud Systemen - (Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS)
Das Projekt EdgeLimit entwickelt effiziente Leistungsverstärker und DC-AC Wandler, auf der Basis neuer Halbleiter wie dem Aluminium Scandium Nitrid.
EDGE-POWER - Energieautarkes Edge Computing für Industrieprozesse und kritische Infrastrukturen - (Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf e. V., Universität des Saarlandes, ifak - Institut für Automation und Kommunikation e. V.)
Ziel des Projektes EDGE-POWER ist es, Prozesssensorik mit einem energieautarken Edge-Computing-Konzept zu verbinden und für den Betrieb solcher Lösungen vorhandene Energiequellen verfügbar zu machen.
EDISON - Energieautarke Drahtlose Integrierte Sensor Netzwerke - (Technische Universität Dresden, Universität Bielefeld)
Im Projekt EDISON sollen erstmals hocheffiziente, integrierte IoT Funksensoren entwickelt werden, welche sich durch thermoelektrische Generatoren vollständig autark selbst mit Energie versorgen. Damit wäre ein emissionsfreier Betrieb möglich.
EFFEKT - Effiziente Flüssigkeitskühlung elektronischer Komponenten - (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e. V.)
Ziel des Projektes EFFEKT ist die Erforschung einer energieeffizienten, integrierten Flüssigkühlung für elektronische Komponenten auf Basis einer kompakten und geräuschlosen Mikropumpe.
GIGA - Green ICT for Green urban Areas - (Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, FH Münster)
Ziel des Vorhabens GIGA ist die Entwicklung eines Netzwerkes aus akustischen Sensoren zur Erfassung und Lenkung von Verkehrsströmen.
GreenDT - Hardware-Plattform für CO2-effiziente digitale Zwillinge - (Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE, Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Technische Universität Kaiserslautern)
Ziel des Projektes GreenDT ist eine heterogene, skalierbare Rechnerarchitektur (Computer-Plattform) in Form eines 'Mikrorechenzentrums' für die energieoptimierte Simulation von digitalen Zwillingen, die aus heterogenen Simulationsmodellen bestehen.
GreenEdge - Green Infrastructure with Resource-Efficient Edge Devices (FZI Forschungszentrum Informatik)
Ziel des Projektes GreenEdge ist es, den erheblichen Energiebedarf einer Smart-City Infrastruktur zu reduzieren, indem die auf KI-Algorithmen basierende Datenverarbeitung in die unmittelbare Nähe der Sensoren verlagert wird. Hierfür wird eine Kombination von klassischer und neuromorpher KI-Hardware entwickelt.
SiC4DC - Edge-Cloud-Energiemanagement für DC-versorgte Automatisierungssysteme mit SiC-basierter Leistungselektronik - (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementtechnologie IISB)
Ziel des Projektes SiC4DC ist die Erforschung eines Lösungskonzepts für das Edge-Cloud-basierte, effiziente Energiemanagement für automatisierte Produktionssysteme auf Basis von SiC Halbleitern für die energieeffiziente Stromwandlung.
Sieger
Es wurden drei Sieger gekürt, welche mit ihren innovativen Forschungs- und Entwicklungskonzepten, einem perspektivisch hohen Energieeinsparpotenzial und der wirtschaftlichen Umsetzbarkeit in Deutschland überzeugten.
1. Platz: E4C
Nicht das Berechnen selbst, sondern die Kommunikation im Rechner dominiert in Zukunft die Energie zum Betrieb. Das Projekt E4C entwickelt ein innovatives Konzept für eine neuartige, skalierbare Computerarchitektur, die aus spezialisierten Rechenknoten und einer neuartigen Datenbusstruktur (Datenübertragung zwischen Rechenkernen und -modulen) aus optischen, elektrischen und drahtlosen Kommunikationsverbindungen besteht. Sie kann in Edge-Servern in virtualisierten 5G-Funkzugangsnetzen eingesetzt werden und besitzt ein Energieeinsparpotenzial von bis zu einer Größenordnung. Damit schlägt das Vorhaben eine innovative Lösung für die deutliche Verbesserung der Nachhaltigkeit von 5G vor.
Vorgesehene Projektpartner: Technische Universität Dresden (Vodafone Stiftungslehrstuhl für Mobile Nachrichtensysteme, Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik, Professur für Compilerbau, Professur für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie, Professur für Hochfrequenztechnik), eesy-IC GmbH, ficonTEC Service GmbH, First Sensor Microelectronic Packaging GmbH, GCD Printlayout GmbH, Micro Systems Engineering GmbH, VI-Systems GmbH; sowie begleiten das Projekt E4C: Nokia Bell Labs, Vodafone GmbH, GLOBALFOUNDRIES LLC & Co. KG, Cloud&Heat Technologies GmbH, National Instruments Corp.
2. Platz: EdgeLimit
Das Vorhaben EdgeLimit legt ein Konzept zum Einsatz neuartiger Leistungshalbleiter für Hochfrequenzverstärker in 5G-Basisstationen auf Basis von AlScN (Aluminium-Scandium-Nitrid) vor. Das Material erlaubt durch seine hohe Stromtragfähigkeit gegenüber etablierten Halbleitern wie Silizium, GaAs und AlGaN/GaN potenziell eine deutlich höhere Leistungsdichte und Verstärkung. Das Vorhaben strebt mindestens eine Verdopplung der Leistungseffizienz auf Verstärkerebene bei den neuen Mobilfunkfrequenzen und eine Halbierung der Verluste in Leistungswandlern an. Auf Netzebene sollen durch eine intelligente Vernetzung von Sendemodulen und Antennen mit bedarfsgerechter Steuerung große Mengen an Energie eingespart werden, z. B. in Fabriknetzen oder bei schneller Videoübertragung ins Auto.
Vorgesehene Projektpartner: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (Institut für Nachhaltige Technische Systeme – INATECH), Nokia Bell Labs, United Monolithic Semiconductors GmbH, Deutsche Telekom AG (assoziiert), Nokia Solutions and Networks GmbH & Co. KG
3. Platz: DAKORE
Das Vorhaben des Wettbewerbsprojekts DAKORE möchte den Energieverbrauch zukünftiger 5G-Funkzugangsnetze durch die bedarfsgerechte Optimierung auf stark variierende Performanz-Anforderungen um bis zu 60 % reduzieren. Dazu wird ein Ansatz entwickelt, der erstmals sowohl die ganzheitliche und dynamische Adaptivität von Elektronikkomponenten als auch Software - von globalen Algorithmen bis hin zur Transistorsteuerung unter Beibehaltung der Dienstgüte - verfolgt. Hauptanteil daran hat die Reduzierung des Energieverbrauchs der Leistungsverstärker in Mobilfunkbasisstationen.
Vorgesehene Projektpartner: Technische Universität Dresden (Professur für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie, Deutsche Telekom Professur für Kommunikationsnetze, Professur für Adaptive Dynamische Systeme), IMST GmbH, Xilinx Dresden GmbH, CampusGenius GmbH, A.N. Solutions GmbH, brown-iposs GmbH, atesio GmbH, Deutsche Funkturm GmbH, National Instruments Dresden GmbH, Deutsche Telekom AG (assoziiert), Ericsson (assoziiert), Vodafone GmbH (assoziiert), United Monolithic Semiconductors GmbH (assoziiert), X-FAB Silicon Foundries SE (assoziiert), Infineon Technologies AG (assoziiert), Cloud&Heat Technologies GmbH (assoziiert)