Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
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Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa. Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation 2021-2024
1 Inhaltsverzeichnis Vorwort 2 1 Einführung 4 2 Leitmotive und Ziele für Forschung und Innovation in der Mikroelektronik 8 3 Technologische Voraussetzungen für eine s ouveräne und nachhaltige Digitalisierung schaffen 10 3.1 Electronic Design Automation (EDA)....................................................................................................................... 10 3.2 Spezialprozessoren für Edge-Computing, Künstliche Intelligenz und Hochleistungsanwendungen........ 12 3.3 Neuartige, intelligente und vernetzte Sensorik..................................................................................................... 13 3.4 Hochfrequenzelektronik für Kommunikation und Sensorik............................................................................... 14 3.5 Intelligente und energieeffiziente Leistungselektronik....................................................................................... 15 3.6 Querschnittstechnologien und ‑themen................................................................................................................ 16 3.7 Ausgewählte Anlagen für die Mikroelektronikproduktion.................................................................................. 20 3.8 Advanced Silicon and beyond.................................................................................................................................... 22 4 Zukunftsweisende Anwendungen durch Mikroelektronik stärken 24 4.1 Künstliche Intelligenz................................................................................................................................................. 24 4.2 Höchstleistungsrechnen............................................................................................................................................. 25 4.3 Kommunikationstechnologie.................................................................................................................................... 25 4.4 Smart Health................................................................................................................................................................. 26 4.5 Autonomes Fahren...................................................................................................................................................... 28 4.6 Industrie 4.0.................................................................................................................................................................. 29 4.7 Intelligente Energiewandlung................................................................................................................................... 31 5 Kooperationen, Instrumente, Strukturen 34 5.1 Stärkung von Kooperationen..................................................................................................................................... 34 5.2 Maßgeschneiderte Instrumente............................................................................................................................... 36 5.3 Strukturen für Forschung und Innovation.............................................................................................................. 38 5.4 Ein lebendes Programm durch strategische Vorausschau und Evaluation....................................................... 39 Glossar 40 Impressum 45
2 MIKROELEKTRONIK. VERTRAUENSWÜRDIG UND NACHHALTIG. FÜR DEUTSCHLAND UND EUROPA.
Vorwort
Autonom fahrende Fahrzeuge, Produktions
maschinen, Medizintechnik, Telekommunika
tion – all das ist ohne innovative Elektronik
systeme nicht machbar. Wir wollen, dass
diese Systeme auch künftig aus Deutschland
kommen. Dafür setzen wir auf unsere Stärken
in Forschung und Entwicklung. Sie bilden die
Grundlage unserer Innovationskraft. Deswegen
fördert die Bundesregierung Forschung und
Innovation in der Mikroelektronik in besonde
rem Maße in den Jahren 2021–2024.
Es geht um die Wettbewerbsfähigkeit Deutsch
lands und Europas in der Welt. Es geht aber
auch um Vertrauen. Wer sich in Zukunft in ein
autonom fahrendes Verkehrsmittel setzt, der muss sich darauf verlassen können, dass
es ihn sicher ans Ziel bringt. Und das gilt nicht nur dort. Immer mehr Innovationen
sind heute digital und basieren auf Elektroniksystemen.
Damit Elektronik vertrauenswürdig sein kann, müssen wir sie verstehen. Das können
wir nur, wenn wir in Wirtschaft und Wissenschaft Spitzenkompetenzen haben und
fortlaufend weiterentwickeln. Je mehr wir fortschrittliche Elektronik selbst konzipie
ren, entwickeln, herstellen und absichern, desto besser können wir auch nachvollzie
hen, was Elektronik Dritter leistet; und auch nicht leistet. So können wir weltweit auf
Augenhöhe kooperieren und Anforderungen an von uns genutzte oder betriebene
Elektroniksysteme durchsetzen. Dazu gehört Nachhaltigkeit. Wir brauchen eine Digi
talisierung und damit Elektronik, die für unsere Klimaschutzziele arbeitet, anstatt den
Ressourcenverbrauch weiter zu steigern.
Wir wollen in Europa technologisch souverän sein und gleichzeitig kooperativ agieren.
Angesichts der international stark vernetzten Wissens- und Wertschöpfungsketten
in der Elektronik sind Kooperationen notwendig und vorteilhaft. Vorrangig sind für
uns dabei die auf gemeinsamen Werten basierenden Kooperationen im europäischen
Binnenmarkt und Forschungsraum. Wir fördern deshalb den Ausbau von europäischer
Elektronikkompetenz in Forschung und Produktion, damit Europa auch weiterhin
gemeinschaftlich stark ist im internationalen Wettbewerb.
Aus Ideen Innovationen machen, die weltweit erfolgreich sind und den Menschen
nützen – das ist unser Anspruch. Ob als Forschende, Anwendende oder Nutzende: Mit
diesem Programm für Elektronikforschung und -innovation stärken wir unsere tech
nologische Souveränität und damit den Wohlstand in unserem Land.
Anja Karliczek
Mitglied des Deutschen Bundestages
Bundesministerin für Bildung und Forschung
4 MIKROELEKTRONIK. VERTRAUENSWÜRDIG UND NACHHALTIG. FÜR DEUTSCHLAND UND EUROPA.
1 Einführung
Unser Alltag und unsere Arbeitswelt sind mit dem Fort im Einklang mit dem europäischen Forschungsrahmen
schreiten der Digitalisierung immer mehr von Elektro programm Horizon Europe konzipiert, das ebenfalls auf
nik durchdrungen. Elektronik steckt nicht nur in Han Souveränität in digitalen Technologien ausgerichtet ist.
dys, Tablets und Bürocomputern, sondern regelt unsere Andere Weltregionen unternehmen massive Anstren
Energieversorgung, steuert die Datenströme für unser gungen: So befördern etwa die USA u. a. mit staatlichen
mobiles Internet und ermöglicht eine sichere vernetzte, Hilfen die Ansiedlung neuer Chipfabriken. Auch China
automatisierte Mobilität. Elektronische Prozessoren sind investiert aus dem Staatshaushalt, um mit eigenen
auch gleichsam das Hirn, in dem Künstliche Intelligenz Mikroelektronik-Fähigkeiten an die Weltspitze aufzu
(KI) abläuft. In Branchen wie dem Gesundheitssektor schließen und Abhängigkeiten abzubauen. Für Europa
und der industriellen Fertigung sorgt Elektronik dafür, gilt ebenso, dass nur eigene Kompetenzen die Anschluss
dass Dienstleistungen und Produkte aus Deutschland fähigkeit sichern und Augenhöhe herstellen können.
höchste Anforderungen an Funktion und Qualität erfül
len. Damit ist (Mikro-)Elektronik eine wichtige Grund Aus der wachsenden Bedeutung von Elektronik ergeben
lage für Wohlstand im Zeitalter der Digitalisierung: sich große Herausforderungen. Deutschland und Europa
Durch Angebote, die die Lebensqualität verbessern und sind im Bereich der Mikroelektronik und Elektronik
die für zukunftsfeste Wertschöpfung und Arbeitsplätze systeme intensiv in globale Wertschöpfungsketten und
in Deutschland sorgen. Partnerschaften eingebunden (Abbildung 1). Europäi
sche Unternehmen sind sowohl Lieferanten als auch Be
Um dies auch künftig zu leisten und dabei die Digitali zieher von Chips und Elektronik-Komponenten, sowohl
sierung nach unseren Werten und Vorstellungen gestal Exporteure als auch Importeure. Um in diesen globalen
ten zu können, benötigen wir technologische Souverä Wertschöpfungsketten eine souveräne Position einzu
nität. Diese verstehen wir als Anspruch und Fähigkeit nehmen und die Digitalisierung nach unseren Werten
zur (Mit-)Gestaltung von Schlüsseltechnologien, d. h. gestalten zu können, brauchen wir vertrauenswürdige
zur Formulierung von Anforderungen an Technologien, Elektronik: Elektronik, von der wir genau wissen, was sie
Produkte und Dienstleistungen entsprechend den eige tut; deren Fertigung wir verstehen; deren Funktionen
nen Werten und zur Mitbestimmung entsprechender wir überprüfen können; und von der wir daher wissen,
Standards auf den globalen Märkten. Technologische dass sie sicher und zuverlässig ist. Wir müssen dafür
Souveränität zielt damit explizit nicht auf Abschottung alle Schlüsseltechnologien der Elektronik verstehen
ab, sondern auf internationale Zusammenarbeit auf und sie anwenden können. Und wir müssen uns durch
Augenhöhe. Dabei gilt: Technologische Souveränität in eine eigene, wirtschaftliche Mikroelektronik-Fertigung
der Elektronik ist nur möglich als Teil des europäischen in Deutschland und Europa in der Lage halten, flexibel
Binnenmarktes und Forschungsraumes, nicht auf rein auf Herausforderungen in den globalen Lieferketten zu
nationaler Ebene. Das vorliegende Programm ist daher reagieren.
Einführung 5
clingprozesse müssen wir zudem eine hohe Ressour
Industrie und Dienstleister
(inkl. IKT, Transport, Automotive, ceneffizienz erreichen. Dieser auf Ressourcen- und
med. Technik, Luft- & Raumfahrt) Energieeffizienz ausgerichtete Nachhaltigkeitsansatz
48.556 Mrd. €1
bei der Entwicklung von IKT-Lösungen schützt nicht
nur das Klima, sondern stützt auch die Wirtschaft:
Innovationsführer bei Elektronik für energiespar
Elektroindustrie
× 11 4.427 Mrd. €2 same IKT-Systeme zu sein, wird Unternehmen aus
Deutschland einen Wettbewerbsvorteil verschaffen.
Dabei schafft die Forschung und deren Förderung die
× 121
Halbleiter Voraussetzungen für die Industrie, die Anforderungen
× 11
397 Mrd. €3 zukünftiger regulatorischer Schritte zu erfüllen. Auch
hier ergibt sich ein Wettbewerbsvorteil.
Elektronik zeichnet sich nach wie vor durch hohe
Innovationsdynamik und kurze Produktlebenszyklen
Abbildung 1: Elektronik ist die Schlüsseltechnologie in einer digitalisierten aus. Sie bleibt deshalb forschungsintensiv: Halbleiter
Gesellschaft wie Deutschland. Halbleiter bilden die Basis für Wertschöpfungs-
ketten mit hohen Multiplikatoren. Quellenangaben: s. Fußnoten 1 2 3 hersteller investieren typischerweise rund 15 % ihres
Umsatzes in Forschungs- und Entwicklungstätigkei
ten. Und wirklich neue Technologien brauchen neue
Die rasante Verbreitung der Elektronik ist Chance und Ansätze aus der Grundlagenforschung. Daher bedeutet
Herausforderung zugleich. Einerseits könnten vielfach Elektronik-Förderung schwerpunktmäßig die Förde
Ressourcen durch smarte digitalisierte Lösungen ge rung von Forschung und Innovation. Außerdem sind in
spart werden. Andererseits konsumiert die Elektronik der Elektronikfertigung hohe Kapitalkosten die Regel.
dabei selbst zunehmend Ressourcen. Informations- Für den Transfer aus der Forschung in die Produktion
und Kommunikationstechnologien (IKT) waren im am Standort Deutschland und Europa ist es deswegen
Jahr 2019 bereits für 3,7 % der globalen Treibhausgas essenziell, dass Forschungs- und Wirtschaftsförderung
emissionen verantwortlich; zugleich stieg der Energie aufeinander abgestimmt sind.
verbrauch durch IKT zwischen 2015 und 2020 um 9 %
pro Jahr, was bei Fortsetzung einer Verdoppelung alle Die beiden Aspekte „Vertrauenswürdige Elektronik“
acht Jahre entsprechen würde.4 Um CO2-Emissionen im und „Nachhaltige, klimafreundliche Elektronik“ sind
aktuellen Strommix reduzieren zu können, brauchen die Säulen des vorliegenden Rahmenprogramms
wir also Elektronik, die den Energieverbrauch von der Bundesregierung für Forschung und Innovation
Mikroprozessoren und allgemein von Informations- „Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig.
und Kommunikationstechnologien (IKT) deutlich Für Deutschland und Europa“ mit Laufzeit von 2021
senkt. Dabei müssen wir über größere Energieeffizienz bis 2024. Vorrangiges Ziel ist es, die technologische
einzelner Komponenten hinaus erhebliche Energie Souveränität Deutschlands und Europas zu stärken.
einsparungen für verteilte und vernetzte IKT-Systeme Dafür bleibt die nationale Forschungsförderung mit
erreichen, um die vereinbarten Klimaschutzziele zu der europäischen transnationalen Förderung verzahnt,
erreichen. Das gilt besonders auch für KI-Systeme, die denn die Innovations- und Wertschöpfungsketten
mit maßgeschneiderten, neuartigen KI-Chips deutlich sind und bleiben grenzübergreifend. Ziel ist auch, die
effizienter sein können als mit KI-Software, die auf Investitionsbereitschaft der Industrie für Mikroelek
herkömmlichen Prozessoren läuft. Durch Reduktion tronik-Produktion in Deutschland weiter zu stärken;
kritischer Rohstoffe und durch leistungsfähige Recy insbesondere über die Förderung von Verbundpro
1 decision.eu/wp-content/uploads/2020/02/ECS-study-presentation-of-Key-findings.pdf
2 zvei.org/fileadmin/user_upload/Presse_und_Medien/Publikationen/Regelmaessige_Publikationen/Daten_Zahlen_und_Fakten/Die_globale_Elektroindustrie_
Daten_Zahlen_Fakten/Faktenblatt-International-August-2020_NEU.pdf
3 wsts.org/esraCMS/extension/media/f/WST/4298/WSTS_nr-2019_11.pdf - Durchschnittskurs Dollar in 2018 ca. 1€ = 1,18$ (de.statista.com)
4 theshiftproject.org/wp-content/uploads/2019/03/Lean-ICT-Report_The-Shift-Project_2019.pdf
6 MIKROELEKTRONIK. VERTRAUENSWÜRDIG UND NACHHALTIG. FÜR DEUTSCHLAND UND EUROPA.
jekten von Wissenschaft und Wirtschaft entlang der
Wertschöpfungskette vom Komponentenhersteller bis
zum Systemanbieter.
Eine besondere Rolle spielen dabei Pilotproduktions
linien, die für den raschen Transfer von Forschungs
ergebnissen in die Produktion sorgen. Den Erfolg
dieses Ansatzes zeigen die Pilotlinien-Vorhaben der
europäisch ko-finanzierten Initiative ECSEL (Electronic
Components and Systems for European Leadership),
mit einer Nachfolge-Initiative zu „Key Digital Tech
nologies“ (KDT) im EU-Forschungsrahmenprogramm
Horizon Europe ab 2021. Zudem konnte im Impor
tant Project of Common European Interest 5 (IPCEI)
on Microelectronics (Start 2017) die Umsetzung von
mikroelektronischen Innovationen in die Produktion
deutlich besser unterstützt werden. In Folge haben
Unternehmen in neue Fertigungskapazitäten für neue
Produkte der Mikroelektronik investiert. Erstmals in
diesem Jahrtausend entsteht eine ganz neue Mikro Das vorliegende Programm baut auf dem Rahmen
elektronikfabrik in Deutschland. Auf der anderen Seite programm für Forschung und Innovation 2016-2020
des Innovationsnetzwerkes sorgen Forschungseinrich „Mikroelektronik aus Deutschland – Innovationstrei
tungen und Hochschulen dafür, dass stetig neue Ideen ber der Digitalisierung“ auf, dem ersten spezialisierten
gesponnen werden. Elektronik-Forschungsprogramm der Bundesregie
rung. Für die Innovationsbeschleunigung verfolgt
Bei vielen Problemstellungen, etwa bei KI-Chips, liegt das BMBF in der Umsetzung neue Ansätze, zum
das größte Potenzial dabei in völlig neuen Lösungs Beispiel mit den Maßnahmen „Forschung für neue
ansätzen. Besonderes Augenmerk wird daher auf Mikroelektronik (ForMikro)“ und dem Pilot-Innova
der Innovationsbeschleunigung liegen, um kreative tionswettbewerb „Energieeffizientes KI-System“. In
Ideen und neuartige Ansätze schneller in konkrete das vorherige Programm fiel auch der Auftakt zu den
Technologien und Anwendungen zu übersetzen. Dazu Investitionsmaßnahmen Forschungsfabrik Mikroelek
sollen gezielt Kooperationen und Strukturen gefördert tronik Deutschland, Forschungslabore Mikroelektronik
werden, die grundlagenorientiert Forschende früh Deutschland (Förderung durch das BMBF) und dem
zeitig mit möglichen Anwendenden zusammenbrin IPCEI on Microelectronics (Förderung durch das Bun
gen. Auch kleine und mittelständische Unternehmen desministerium für Wirtschaft und Energie, BMWi).
(KMU) sowie Start-ups können neue Ideen rasch in Die Forschungsfabrik bündelt die technologischen
neue Produkte umsetzen, weswegen sich die Förderung Fähigkeiten von 13 führenden Instituten für ange
in besonderem Maße an diese richtet: KMU haben in wandte Elektronikforschung in einem gemeinsamen
der Elektronik-Förderung des Bundesministeriums Technologiepool mit zentraler Anlaufstelle für Partner
für Bildung und Forschung (BMBF) einen Anteil an und Kunden aus Wissenschaft und Wirtschaft, und die
der gewerblichen Förderung von rd. 35 %, während der Forschungslabore stärken Hochschulen in ihrer zen
KMU-Anteil an den FuE-Aufwendungen der Wirtschaft tralen Rolle im Mikroelektronik-Innovationssystem.
insgesamt deutlich unter 20 % liegt 6. Die positiven Ergebnisse der bisherigen Mikroelekt
ronikförderung und die geopolitische Lage bei dieser
5 Englisch für „Wichtiges Vorhaben von gemeinsamem europäischem Interesse“ lt. EU-Verträgen
6 Die Rolle von KMU für Forschung und Innovation in Deutschland, Studie im Auftrag der Expertenkommission Forschung und Innovation, Studien zum
deutschen Innovationssystem Nr. 10/2016, e-fi.de/fileadmin/Innovationsstudien_2016/StuDIS_10_2016.pdf
Einführung 7
Schlüsseltechnologie bilden auch die Grundlage für dung bringen“ und „Weitgehende Treibhausgasneutra
Überlegungen der Bundesregierung, im europäischen lität der Industrie“; zur Umsetzung der KI-Strategie; zur
Rahmen ein IPCEI zu Kommunikationstechnologien Umsetzungsstrategie „Digitalisierung gestalten“ und
und Mikroelektronik zu initiieren. des Klimaschutzprogramms 2030 der Bundesregierung.
Der Aspekt „Nachhaltige, klimafreundliche Elektronik“
Die Schwerpunkte für die Ausrichtung des aktuellen beinhaltet die Initiative „Green ICT – Grüne IKT“ des
Programms wurden im Austausch der Bundesre BMBF-Aktionsplans „Natürlich. Digital. Nachhaltig“.
gierung mit der Fachszene identifiziert. Zum einen Das Programm hat Berührungspunkte zu zahlreichen
wurde im Dialog mit Wirtschaft und Wissenschaft die weiteren laufenden oder geplanten Forschungspro
Leitinitiative „Vertrauenswürdige Elektronik“ entwi grammen der Bundesregierung und ihren Ressorts,
ckelt, die auch Teil der BMBF-Digitalstrategie ist. Zum insbesondere zu Kommunikationstechnologien, zur
anderen wurden in mehreren Expertengesprächen IT-Sicherheit, zu Industrie 4.0, zur Medizintechnik, zur
prioritäre Aspekte der Energieeffizienz und Nachhal Photonik und zum autonomen und vernetzten Fahren,
tigkeit identifiziert. Zusammen mit Ergebnissen einer da einerseits die Digitalisierung und mit ihr die Mikro
Umfeldanalyse und einer Bilanz des vergangenen elektronik immer mehr Gebiete durchdringen und da
Rahmenprogramms bilden diese Erkenntnisse die Basis andererseits einstmals getrennte Technologiewelten
des aktuellen Programms. Die inhaltlichen Schwer (z. B. Hardware und Software oder Elektronik und Pho
punkte dafür sind in den Kapiteln zu den Dimensionen tonik) immer mehr miteinander verschmelzen.
„Technologien“ und „Anwendungsfelder“ beschrieben.
Diese Inhalte werden in den nächsten vier Jahren im
Austausch mit der Fachszene kontinuierlich überprüft
und weiterentwickelt. Im Jahr 2023 soll über eine
zweijährige Verlängerung oder eine Neuauflage und
Neuausrichtung entschieden werden.
Das Programm trägt bei zur Umsetzung der Hightech-
Strategie 2025, insbesondere auch über die Beiträge von
Elektronik zu den Missionen „Sichere, saubere und ver
netzte Mobilität“, „Künstliche Intelligenz in die Anwen
8 MIKROELEKTRONIK. VERTRAUENSWÜRDIG UND NACHHALTIG. FÜR DEUTSCHLAND UND EUROPA.
2 Leitmotive und Ziele für Forschung und
Innovation in der Mikroelektronik
Das vorliegende Programm ist geleitet vom folgenden sich abzeichnenden demografischen Mangel an
Zielzustand: Arbeitskräften oder die Gesunderhaltung in allen
Lebensphasen. Leistungsfähige, vertrauenswür
∙ Deutschland ist als Teil des Europäischen For dige und nachhaltige Elektronik erschließt dabei
schungsraums und des Europäischen Binnenmarkts neue Lösungswege für intelligente Assistenten, das
technologisch souverän. Es gibt keine einseitigen Internet der Dinge, KI-Anwendungen oder moderne,
Abhängigkeiten von anderen Weltregionen. klimafreundliche Rechenzentren.
∙ Elektronik aus Deutschland und Europa hat eine Um dies zu erreichen, unternimmt die Bundesregie
neue Qualität und ist nachweisbar vertrauenswürdig. rung die folgenden Schritte:
Sie ist damit die erste Wahl für sicherheitskritische
Anwendungen wie das autonome Fahren, intelli ∙ Wir unterstützen die Entwicklung und Umsetzung
gente Medizintechnik oder die sich selbst steuernde neuer grundlegender Technologien in Deutschland
Fabrik der Industrie 4.0. Akteure in Deutschland und Europa.
und Europa können die Vertrauenswürdigkeit von
Elektronik aus allen Weltregionen aufgrund eige ∙ Wir stärken die Kooperation und Vernetzung
nen Wissens nachvollziehen. Damit wird auch zum zwischen Wissenschaft und Wirtschaft für Know-
Abbau von Handelskonflikten beigetragen. how- und Ergebnistransfer weiter; auch, um neueste
Forschungsergebnisse in Regulierung und Standardi
∙ Elektronik aus Deutschland und Europa leistet einen sierung einfließen zu lassen. Denn in der Digitalisie
nennenswerten Beitrag zum Klimaschutz: durch rung sind Produktinnovationen nicht nur Software-
Elektronik, die selbst weniger Energie verbraucht – Innovationen, sondern in vielen Branchen immer
zum Beispiel in energieeffizienten KI-Prozessoren. häufiger Mikroelektronik-Innovationen.
Oder durch Elektronik, die andere Geräte intelligent
steuert und so deren Strom-Appetit zügelt – wie es ∙ Wir fördern den Transfer aus der grundlagenorien
Bewegungssensoren anstelle von Lichtschaltern tun. tierten in die anwendungsorientierte Forschung als
Damit ist sie ein wichtiger Baustein für das Erreichen Wegbereiter für Sprunginnovationen am Standort
der Klimaschutzziele der Bundesregierung. Deutschland und Europa. Die direkte Forschungsför
derung dieses Programms komplementiert dabei eng
∙ Elektronik liefert technische Lösungen für w
eitere und arbeitsteilig die Förderung der Bundesagentur
gesellschaftliche Herausforderungen, etwa den für Sprunginnovationen SPRIND.Leitmotive und Ziele für Forschung und Innovation in der Mikroelektronik 9
∙ Wir fördern zudem vielversprechende neue Entwick sorgen für Vernetzung der Forschungs- und Innova
lungen im Bereich der Cybersicherheit. Die Agentur tionsakteure in Deutschland, insbesondere von klei
für Innovation in der Cybersicherheit (GmbH) be nen und mittelständischen Unternehmen, und für
auftragt und finanziert dazu risikofreudige, ambitio den Transfer aus der erkenntnis- in die anwendungs
nierte Forschungs- und Innovationsvorhaben und orientierte Forschung, der auch über Köpfe stattfin
koordiniert den gesamten Forschungsprozess von det. Wir treiben den Kapazitäts- und Kompetenzauf
der Idee bis zum Prototypen, um so deutlich schnel bau im Bereich der Mikroelektronikforschung voran.
ler Ergebnisse zu erzielen. Die Ergebnisse soll sie Indikatoren dafür sind nicht nur die Anzahl von
dann der Bundesregierung zur Verfügung stellen. Promotionen, Publikationen, Patenten und Produk
ten, sondern z. B. auch Maße für die Abdeckung von
∙ Wir stärken Nachwuchsforschende, Start-ups sowie Wertschöpfungsketten, für die Breite der technologi
kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) für schen Kompetenzen, für die Anzahl neuer institutio
ein agiles Innovationssystem. neller Kontakte in und zwischen Verbünden oder für
die Anzahl neuer Kooperationen.
∙ Wir fördern einen effektiven Dialog der relevanten
Akteure, um neue Forschungs- und Innovationsthe ∙ Für Technologische Souveränität zudem: Wir stär
men zu identifizieren und rechtzeitig aufzugreifen. ken die Halbleiterproduktion in Deutschland und
Europa. Wir etablieren ein vollständiges Innovations
∙ Wir verzahnen die Forschungspolitik auf nationa ökosystem zum beschleunigten, plattformbasierten
ler und europäischer Ebene. Denn Wissenschaft Entwurf von Spezialprozessoren auf der Basis der
wie Wirtschaft sind grenzübergreifend aufgestellt; RISC-V-Architektur für eine breite Spanne von Ein
Wertschöpfungsketten sind oft frühestens in Europa satzgebieten. Indikatoren dafür sind z. B. die zeitliche
geschlossen, nicht aber national. Die nationalen Entwicklung von Branchenkennzahlen zu Innovati
Maßnahmen sind daher strategisch abgestimmt auf on und Produktion sowie der Abdeckungsgrad von
europäische Initiativen wie den Digitalen Binnen Wertschöpfungsketten bzw. die Vollständigkeit des
markt, den European Green Deal und insbesondere Innovationsökosystems aus der Hand deutscher und
das Forschungsrahmenprogramm Horizon Europe europäischer Akteure.
sowie das Investitionsprogramm Digital Europe.
∙ Für Nachhaltige, klimafreundliche Elektronik zudem:
Wir müssen den Elektronikstandort Deutschland stär Wir stellen beispielhafte Lösungen mit Strahlkraft
ken, wollen wir den digitalen Wandel auch in Zukunft bereit, die den Anspruch Deutschlands auf eine
selbstbestimmt gestalten. Hierzu gilt es nicht nur, Vorreiterrolle für die Entwicklung nachhaltiger
unsere Stärken weiter zu stärken, sondern auch andere Technologien unterstreichen. Dazu gehört die
wichtige Technologiebereiche deutlich zu fördern und Weiterentwicklung von Methoden und Modellen,
so neue Kompetenzen zu erwerben und zu erschlie um resultierende Energie- und CO2-Einsparungen
ßen. Dieses Programm wird hierzu einen wesentlichen zu quantifizieren. Indikatoren sind z. B. die Anzahl
Beitrag leisten. Allein das BMBF stellt dafür über die von entsprechenden Produktinnovationen und das
vier Jahre Programmlaufzeit rund 400 Mio. Euro für konkrete Einsparungspotenzial.
Forschungs- und Entwicklungsvorhaben bereit. Das
BMWi prüft, für das oben genannte IPCEI zu Kommu Um jeweils auf den Stand der Technik und Forschung
nikationstechnologien und Mikroelektronik erhebliche in den nachfolgend beschriebenen Technologie- und
Mittel bereitzustellen. Anwendungsfeldern eingehen zu können, werden
für jede Fördermaßnahme spezifische operative Ziele
In seiner Mikroelektronik-Forschungsförderung entsprechend der jeweiligen Ausgangslage und dem
arbeitet das BMBF dabei mit den folgenden operativen Forschungsbedarf identifiziert.
Zielen:
∙ Auf übergeordneter Ebene: Wir stärken Wertschöp
fungsketten als Inkubator von Innovationen. Wir10 MIKROELEKTRONIK. VERTRAUENSWÜRDIG UND NACHHALTIG. FÜR DEUTSCHLAND UND EUROPA.
3 Technologische Voraussetzungen für eine s ouveräne
und nachhaltige Digitalisierung schaffen
Mikroelektronik ist ein Inbegriff von Hochtechnolo speziellen Bedürfnisse der facettenreichen deutschen
gie. Grundlegende Technologien wie die nachfolgend Anwenderindustrie zugeschnitten, zum Beispiel
beschriebenen zu beherrschen, sie weiterentwickeln zu hinsichtlich analoger Elektronik. Erforderlich ist eine
können, gar neue erschaffen zu können, ist Vorausset eigene Entwurfskompetenz, die nicht nur Innovati
zung dafür, Elektronik selbstbestimmt und mit Gewinn onen ermöglicht, sondern auch einen kompetenten
zur Anwendung zu bringen. Umgang mit allen Gliedern der Wertschöpfungskette.
Für die Technologiesouveränität Deutschlands und
Europas ist die Querschnittskompetenz EDA deswegen
3.1 Electronic Design Automation ein zentraler Baustein.
(EDA)
Um den Einsatz neuer Technologien zu ermöglichen
Am Anfang eines jeden mikroelektronischen Systems und die Anforderungen neuer Anwendungen erfüllen
steht der Entwurf. zu können, müssen EDA-Werkzeuge kontinuierlich
neu- und weiterentwickelt werden. Die Entwurfstech
Bis aus der ersten Idee ein fertiger Schaltkreis bzw. nologien der Zukunft werden zur Beschleunigung von
ein elektronisches System entsteht, ist ein komple Innovationsprozessen beitragen, den nötigen Aufwand
xer Designprozess zu durchlaufen, der alle internen reduzieren und die Time-to-Market verkürzen. Trotz
Wechselwirkungen berücksichtigt. Um diese Komple zunehmender Komplexität können viele Parameter be
xität zu beherrschen, läuft der Entwurfsprozess so weit reits im Designstadium durch Simulationen optimiert
wie möglich automatisiert ab (EDA, electronic design werden. Damit entfällt das bisher übliche langwierige
automation). Von diesem Prozess hängt damit zu einem Test- und Evaluierungsverfahren, in dem nacheinan
erheblichen Teil die Funktionsfähigkeit, Zuverlässigkeit der eine Reihe von Hardware-Prototypen gebaut und
und Vertrauenswürdigkeit späterer Gesamtsysteme ab. getestet werden.
Fehler, die bereits beim Entwurf gefunden werden, und
Optimierungen, die virtuell ohne Messungen an realer Kennzeichnend für die aktuellen Entwicklungen ist
Hardware stattfinden können, reduzieren die Entwick eine wachsende Komplexität, die eine Entwurfsauto
lungszeiten und -aufwände enorm. matisierung nicht nur für jeden einzelnen Chip,
sondern auch auf der Ebene des Elektroniksystems er
Viele Unternehmen nutzen beim Entwurf ihrer mi fordert: Die Anzahl der Schaltkreise nimmt zu, Systeme
kroelektronischen Komponenten die EDA-Werkzeuge werden heterogener und verschiedene Technologien
großer Anbieter. Diese sind jedoch oft nicht auf die werden kombiniert. Die höhere IntegrationsdichteTechnologische Voraussetzungen für eine souveräne und nachhaltige Digitalisierung schaffen 11
führt über physikalische Wechselwirkungen zu neuen ∙ KI für EDA: Künstliche Intelligenz kann die Komple
Effekten, die in Modellen abgebildet werden müssen – xität des Entwurfs beherrschbarer machen, Testver
insbesondere die elektromagnetische Verträglichkeit fahren optimieren und damit den Entwurfsprozess
(EMV). Für innovative Anwendungen rücken außerdem insgesamt beschleunigen. Ein schnellerer Entwurf
zunehmend Aspekte wie Energieeffizienz, Zuverläs treibt Innovationen und ist kritisch für den wirt
sigkeit und funktionale Sicherheit in den Fokus – was schaftlichen Erfolg.
abermals den Aufwand in der Modellierung erhöht.
∙ Design-for-Test: In komplexen, hochintegrierten
Beispiele für künftige Handlungsfelder sind: Chips und Systemen sind viele Parameter nicht mehr
von außen abgreifbar bzw. zugänglich. Dies muss im
∙ Entwicklungsplattformen und Ökosysteme: Für Designprozess im Hinblick auf eine ausreichende
spezifische Einsatzgebiete werden optimal angepasste Testbarkeit verstärkt berücksichtigt werden.
elektronische Systeme benötigt, sei es im Sinne der
Energieeffizienz, der Kosten oder bestimmter Be ∙ Analogdesign: Hochintegrierte Chips oder Syste
triebseigenschaften. Solche Entwicklungen für kleine me enthalten oft einen hohen Anteil an analoger
Stückzahlen sind aber aufwendig und daher oft nicht Elektronik wie Schnittstellen zur Sensorik, Kommu
rentabel. Vor allem in kleinen Unternehmen fehlt au nikationseinheiten und Energieversorgung. Bis zu 90
ßerdem häufig die Expertise. Derzeit entstehen zwar Prozent des Aufwands zum Entwurf eines Mikro
neue Ansätze und technologische Entwicklungen chips entfällt auf den analogen Teil, obwohl dieser
(z. B. auf Basis von RISC-V); diese werden jedoch noch typischerweise nur 10 Prozent der Bauteile enthält.
nicht ausreichend durch Tools unterstützt. Benötigt Im Entwurf analoger Schaltungen treten zahlreiche
werden vielseitige Entwicklungsplattformen, die es physikalische Effekte und Wechselwirkungen auf,
durch modulare IP (Intellectual Property, geistiges die das Design extrem aufwendig machen und viel
Eigentum – hier im Sinne eines Chip-Designs) und Experten- und Erfahrungswissen erfordern. Daher ist
angepasste Werkzeuge erlauben, spezifisch ange eine Formalisierung des Wissens und der Entwurfs
passte Hardware effizient abzuleiten. Dafür müssen automatisierung durch entsprechende Werkzeuge
Hardware-IP, Software und Entwicklungswerkzeu anzustreben.
ge (Entwurf, Verifikation, Modellierung, Compiler,
Debugger) modular und skalierbar zur Verfügung
stehen. Besonders interessant für die deutsche und
europäische Halbleiterindustrie und -forschung sind
dabei Open-Source-Ansätze, wie beispielsweise bei RISC-V
i
RISC-V.
RISC-V ist eine offene Befehlssatzarchitektur, also
∙ Hardware-Software-Co-Design: Bestimmte Funk eine abstrakte Beschreibung der Implementie-
tionalitäten können sowohl über die Hardware als rung eines Rechners in Bezug auf die ausführbaren
auch über die Software umgesetzt werden. Daher Maschinenbefehle, auf deren Grundlage rasch neue
ist eine optimale Aufteilung und Verzahnung von Prozessoren entwickelt werden können. „Offen“
fundamentaler Bedeutung, um Entwicklungskosten, heißt: Die Architektur ist nicht patentiert oder
Wartbarkeit, Aktualisierbarkeit und Performanz im urheberrechtlich geschützt, sondern unter einer
Sinne von Geschwindigkeit und Energieeffizienz Open-Source-Lizenz verfügbar und darf deshalb frei
bestmöglich gestalten zu können. Umfassende Mo verwendet werden. Speziell kleinere und mittlere
delle bis hin zu virtuellen Prototypen ermöglichen Unternehmen können so ohne hohe Lizenzkosten
eine wertschöpfungskettenübergreifende bzw. pa maßgeschneiderte und performante Mikroprozesso-
rallele Entwicklung von Hard- und Software. Gerade ren entwerfen, herstellen und verkaufen. Dies bietet
für sehr spezielle Systeme (z. B. neuronale Netze und für Deutschland bzw. Europa die Chance, eigene
neuromorphe Architekturen) kann eine angepasste Prozessoren zu entwickeln und für die Industrie
Hardwarearchitektur enorme Effizienzsteigerungen verfügbar zu machen.
bewirken.12 MIKROELEKTRONIK. VERTRAUENSWÜRDIG UND NACHHALTIG. FÜR DEUTSCHLAND UND EUROPA.
3.2 Spezialprozessoren für Edge- (EPI)7 Know-how für die Industrie nutzbar machen,
Computing, Künstliche Intelli zum Beispiel für Anwendungen im automatisierten
vernetzten Fahren (AVF).
genz und Hochleistungsanwen
dungen Aktuell gibt es viele neue technologische Entwicklun
gen, die Möglichkeiten für Deutschland und Europa
Leistungsstarke Spezialprozessoren sind Innovations eröffnen. Handlungsfelder sind unter anderem:
treiber.
∙ Ökosysteme mit Baukastenansätzen: Spezialpro
Leistungsfähige Universal-Prozessoren für Server, zessoren werden für eine große Breite von Anwen
PCs und Smartphones werden aktuell in Deutschland dungen nachgefragt, allerdings jeweils mit kleiner
weder entworfen noch hergestellt; Spezialprozessoren Stückzahl. Eine Neuentwicklung für jeden Anwen
wiederum gehören zu den Stärken der deutschen Elek dungsfall ist nicht bezahlbar. Benötigt werden flexi
tronikindustrie. Sie spielen eine wesentliche Rolle im ble und modulare Komponenten, die sich mit wenig
Innovationsgeschehen, denn durch ihre Eigenschaften Aufwand zu einem System integrieren lassen. Solche
wie Energieeffizienz, Echtzeitfähigkeit, Robustheit und skalierbaren Baukästen ermöglichen Lösungen vom
Zuverlässigkeit können sie die spezifischen Anforde sparsamen Mikrocontroller bis zum KI-Prozessor.
rungen in den für die deutsche Industrie besonders re Aufgebaut werden solche Baukästen über Ökosys
levanten Anwendungen oft besser erfüllen als Univer teme, die entsprechende Hardware und Software
salprozessoren. Sie ermöglichen auch ein höheres Maß anbieten. Auch KMU und Start-ups können damit auf
an anwendungsspezifischer Performanz und Sicherheit einer vertrauenswürdigen Basis eigene Entwicklun
und leisten damit einen entscheidenden Beitrag als gen rasch realisieren. Frei verfügbare Architekturen
Voraussetzung für Cybersicherheit. wie RISC-V sind eine gute Grundlage, um rasch neue
Einsatzgebiete und Anwendungsfelder für die deut
Neue Anwendungsfelder und erheblich steigende sche Industrie zu erschließen.
Leistungsanforderungen in etablierten Anwendungen
bringen die hierzulande vorhandenen Lösungen für ∙ Prozessoren mit optischen bzw. elektro-optischen
Spezialprozessoren jedoch zunehmend an ihre Gren Komponenten: Die Kombination von elektronischen
zen. Dies ist zum Beispiel beim Edge-Computing der und photonischen Komponenten bietet in passen
Fall, der Verschiebung von rechenintensiven Anwen den Anwendungen, beispielsweise bei der optischen
dungen aus der Cloud in die Nähe der Endgeräte. Be Datenverarbeitung, ein großes Potenzial für Energie
sonders hohe Leistungsansprüche an die Prozessoren effizienz und Geschwindigkeit.
haben auch Anwendungen der Künstlichen Intelligenz,
weil hier sehr große Datenmengen in vielfältigen Kom ∙ Weitere Trends: Im Zusammenhang mit neuen
binationen verarbeitet werden. Spezialprozessoren stellen neue Architekturen und
Speichertechnologien wie nichtflüchtige eingebet
In künftigen Spezialprozessoren werden Elektronik tete Speicher, Memristoren für neuromorphe Chips
und Algorithmen so aufeinander abgestimmt, dass oder das so genannte „ungenaue Rechnen“ (appro
Anwendungen deutlich beschleunigt werden können. ximate computing) zukunftsweisende Ansätze dar,
Die Verzahnung von Sensorik, Künstlicher Intelli um Energie einzusparen. Auch das analoge Rechnen
genz und Elektronik wird zudem die Energieeffizienz verspricht Vorteile für bestimmte Anwendungen.
deutlich erhöhen. Für Deutschland ergibt sich damit Hier besteht jedoch noch großer Transferbedarf aus
die Chance, den Sprung in neue Leistungsklassen und der Grundlagenforschung (siehe Kapitel 3.8).
Anwendungsfelder zu schaffen - mit Prozessoren Made
in Europe als vertrauenswürdige Basis der Digitalisie
rung. Hier kann die Europäische Prozessorinitiative
7 european-processor-initiative.euTechnologische Voraussetzungen für eine souveräne und nachhaltige Digitalisierung schaffen 13
Edge Computing
i chen eine ressourceneffiziente Prozesskontrolle für den
Energie-, Wasser- und Rohstoffverbrauch und sorgen
für die effiziente Steuerung von Flüssen wie Material,
Unter Edge Computing bzw. Edge-Cloud-Lösungen Energie, Mobilität, Logistik oder Infrastruktur. Sensorik
werden hier elektronische Systeme zur Sammlung kann Wasserqualität überwachen, den CO2-Pegel in der
und Vorverarbeitung von Informationen am Rand Nähe von CO2-Speichern messen und Schadstoffe und
des Netzes, z. B. direkt am Endgerät statt in der Defekte detektieren, die zu Umweltgefahren führen.
Cloud, verstanden. Datenströme können hierdurch
ressourcenschonender verarbeitet werden, da keine Bei allen Anwendungen gilt: Sensoren müssen höchs
umfangreichen Rohdatensätze in die Cloud übertra- ten Ansprüchen an die Zuverlässigkeit genügen und
gen werden müssen. Erst weiterreichende Verarbei- Störungen robust standhalten. Für die Auswertung,
tungsschritte finden dann in der Cloud statt. Dieser insbesondere mit KI-Methoden, ist eine hohe Erfas
Markt könnte so rapide wachsen, dass bereits 2025 sungsqualität mit niedrigem Rauschen erstrebenswert.
mit Edge-KI-Chips größere Umsätze erzielt werden
als mit KI-Prozessoren für bisherige Cloud-Rechen- Sensorik ist ein für KMU attraktives Feld, weil die An
zentren. wendungsbreite so groß ist und spezialisierte Lösungen
gefragt sind. Wie bei den Spezialprozessoren können
Baukastensysteme und Entwicklungsplattformen als
3.3 Neuartige, intelligente und ver Innovationstreiber wirken.
netzte Sensorik
Handlungsfelder ergeben sich unter anderem über
Sensoren sind die Sinnesorgane von Maschinen, Anlagen neue Sensorprinzipien und Systemansätze:
und intelligenten Systemen.
∙ Neue Sensorprinzipien: Sensorsysteme, die auf
Vertrauen ist gut, Sensorik ist besser: Vertrauens neuen Messprinzipien wie Quanteneffekten basieren,
würdige Elektroniksysteme sind darauf angewiesen, auf neuen Materialansätzen oder Integrationstech
dass Sensoren vertrauenswürdige Messwerte liefern. nologien aufbauen, können neue Anwendungsfelder
Sensoren sind schon jetzt weit verbreitet, und im Zuge erschließen. Die Steigerung der Intelligenz und De
der voranschreitenden Digitalisierung und Vernetzung zentralität von Sensorsystemen durch KI-Methoden
nimmt ihre Bedeutung weiter zu. MEMS-Sensoren, ist ein weiteres wichtiges Forschungsfeld, das neue
Mikro-Elektro-Mechanische Systeme, teilen dabei Möglichkeiten eröffnet (siehe Kapitel 3.2).
nicht nur das Grundmaterial Silizium und die dazu
gehörigen Bearbeitungstechniken mit der Elektronik, ∙ Organische Elektronik: Sensoren auf Basis organi
sondern wachsen immer enger mit der dazugehörigen scher Elektronik versprechen große Chancen und
Elektronik zusammen. Sensoren sind deswegen immer stehen gleichermaßen noch vor enormen technolo
weniger „Extrageräte“, sondern immer mehr Teil der gischen Herausforderungen.
Elektronik. Die Erfassung, Verarbeitung und Wei
terleitung von Messwerten ist dabei die Basis für die ∙ Lab-on-a-chip: Für die Point-of-Care-Diagnostik in
funktionale Sicherheit und den effizienten Betrieb von der Medizin, in der Lebensmittelindustrie und in der
komplexen und intelligenten Systemen in nahezu jeder Umweltüberwachung sind Lab-on-a-Chip-Lösungen
Branche. Beim automatisierten vernetzten Fahren, der von großer Bedeutung, da sie die Zeiten bis zum
industriellen Produktion oder in der Robotik bilden sie Vorliegen eines Ergebnisses gegenüber klassischer
die Schnittstelle zur realen Welt und gewährleisten die Laboranalyse erheblich verkürzen können.
Sicherheit bei der Zusammenarbeit von Mensch und
Maschine. ∙ Chemische Sensoren und Biosensoren: Bei der
Prozessanalyse in zahlreichen Industrien (Chemie,
Auch für die Überwachung und Steuerung von Prozes Halbleiter, Lebensmittel), der Medizin und der Um
sen im Sinne der Nachhaltigkeit und für den Klima weltanalytik tragen chemische Sensoren zu besserer
schutz kommen Sensoren zum Einsatz. Sie ermögli Prozesskontrolle und somit zur Prozesssicherheit14 MIKROELEKTRONIK. VERTRAUENSWÜRDIG UND NACHHALTIG. FÜR DEUTSCHLAND UND EUROPA.
Energieautarke Sensoren
i
Durch die Umwandlung thermischer, mechanischer
oder optischer Energie in elektrische Energie kann
verfügbare Energie aus der unmittelbaren Umgebung
„geerntet“ und für den Betrieb des Elektroniksystems
und der integrierten Sensorik sowie Funkeinheit
genutzt werden. Auf diese Weise können bisher
unzugängliche Orte mit Sensorik ohne störende
Kabel oder wartungsintensive Batterien ausgestattet
werden.
bei. Chemische Sensoren und Biosensoren sind
bislang jedoch nur in Spezialanwendungen zu finden.
Forschung und Entwicklung sollen Low-Cost-High-
Volume-Anwendungen und neue Einsatzgebiete zum
Beispiel in Pharmaindustrie und Medizin ermögli
chen (siehe Kapitel 4.4).
Weitere Trends ergeben sich aus den Anwendungs 3.4 Hochfrequenzelektronik für
feldern: Kommunikation und Sensorik
∙ Intelligente Sensorsysteme: Energieeffiziente, lokale Hochfrequenzelektronik ist das Herz moderner Kommu-
Messdatenverarbeitung und ‑auswertung sowie Sen nikationstechnologien.
sordatenfusion sind Schlüsselaspekte für intelligente
Sensorsysteme für Industrie 4.0 und weitere Anwen Hochfrequenzelektronik ist ein zentraler Baustein der
derbranchen (siehe Kapitel 3.2 und 4.6). Digitalisierung, unter anderem für den Aufbau der
5G/6G-Infrastruktur oder für das Abstandsradar von
∙ Eigendiagnose und Selbstkalibrierung: Sensoren Fahrzeugen oder Servicerobotern. Als sicherheitskriti
müssen stets die spezifischen Anforderungen der je sche Komponente muss die Hochfrequenzelektronik
weiligen Anwendung erfüllen. Durch Eigendiagnose in höchstem Maß vertrauenswürdig sein. Das gilt auch
und Selbstkalibrierung wird die Vertrauenswürdig für Anwendungen der Hochfrequenzelektronik in der
keit ohne zusätzlichen Aufwand erhöht. Sensorik, den Sinnen der vernetzten Welt. Der Innova
tionstandort Deutschland hat daher für seine tech
∙ Energieautarke Sensoren und Systemlösungen nologische Souveränität ein großes Interesse daran,
ermöglichen neue Anwendungen und tragen zur die Verfügbarkeit der Hochfrequenzelektronik durch
Kosteneffizienz bei. eigene Weiterentwicklung der Technologie zu sichern.
Der Entwicklungstrend geht dabei zu immer höheren
Rund 100 Sensoren sind heute in einem Automobil Frequenzen. In der Sensorik werden damit bessere
der Mittelklasse verbaut. Sie erfassen physikalische Auflösungen erreicht. In der Kommunikationstechnik
Größen wie Temperaturen, Drehzahlen, Winkel, Drü- ermöglichen sie es, mehr Informationen gleichzeitig
cke u. a. und formen diese nichtelektrischen Größen in zu übermitteln – führen allerdings auch zu geringe
elektrische Signale um. Sie dienen somit als Sinnesor- rer Reichweite, was wiederum mehr Sendestationen
gane der elektronischen Steuergeräte.8 erforderlich macht. Um dadurch den Energieverbrauch
8 Quelle: Sensoren im Auto, springerprofessional.de/bordnetze/energiemanagement-im-elektrofahrzeug/das-moderne-automobil-fordert-die-sensorbran-
che/16152976Technologische Voraussetzungen für eine souveräne und nachhaltige Digitalisierung schaffen 15
nicht steigen zu lassen, müssen Sendestationen deut
lich effizienter werden. Dies lässt sich zum einen durch
EMV
i
eine verbesserte Energieeffizienz der Hochfrequenz
technik erreichen, bei längeren Strecken aber auch Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) speziell für
durch ein Wechselspiel zwischen elektronischer und Hochfrequenzelektronik bezeichnet die Fähigkeit, ein
optischer Datenübertragung. technisches Gerät oder auch einen einzelnen Schalt-
kreis so zu entwickeln, dass andere Schaltkreise im
Generell fordert der Übergang zu immer höheren Fre selben Gerät und andere Geräte nicht durch unge-
quenzen eine fortlaufende Forschung in der Höchst wollte elektrische oder elektromagnetische Effekte
frequenztechnik, aber auch in der dafür benötigten beeinflusst werden. Die ungewollte wechselseitige
schnellen Elektronik. Forschungsbedarf besteht auch Beeinflussung von Elektroniksystemen ist nicht nur
an den Schnittstellen zur Optoelektronik (Silizium- eine Frage der Technik und des Rechts, sondern auch
Photonik); hier ist es relevant, höchstintegrierte eine der Sicherheit.
Schaltungen mit Strukturbreiten unterhalb von 10 nm
fertigen zu können, was derzeit jedoch kein europäi
sches Unternehmen beherrscht. 3.5 Intelligente und energieeffiziente
Leistungselektronik
Zu den Handlungsfeldern in der Hochfrequenzelektro
nik gehören: Leistungselektronik ist und bleibt eine zentrale Quer-
schnittstechnologie der Elektronik.
∙ Radarsysteme: Durch hochintegrierte und hoch
frequente Radarsysteme können Eigenschaften und Damit elektrische Energie dort ankommt, wo sie ge
Kosteneffizienz erheblich verbessert werden. Erhebli braucht wird, muss sie verteilt, gewandelt und geregelt
che Herausforderungen liegen in der Systemintegra werden. Dies ist die Aufgabe der Leistungselektronik.
tion künftiger Radarsysteme. Ihre Bedeutung wird weiter zunehmen, denn der Anteil
der elektrischen Energie am Primärenergieverbrauch
∙ Antennen: Höhere Integrationsdichten und Fre wird sich durch die Energiewende und die wachsende
quenzen erfordern neue und komplexe Antennen Digitalisierung massiv erhöhen. Denn immer mehr
designs und -konzepte, eine entsprechende Anten Anwendungen und Geräte werden elektrisch betrieben.
nenansteuerung und Hardware-Implementierung
neuer Modulationsverfahren. Deutschland nimmt in der Leistungselektronik eine he
rausragende Position ein. Die wachsenden Märkte für
∙ EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit): Der Leistungselektronik locken jedoch neue internationale
Trend zu höheren Frequenzen verschärft die Heraus Player an, und es ist zu erwarten, dass der Kostendruck
forderungen bei der EMV und erzeugt Forschungs durch höhere Stückzahlen weiter steigen wird. Um die
bedarf. Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in der Leistungs
elektronik zu erhalten, müssen daher vor allem die
∙ Wechselspiel von Hochfrequenzelektronik und Kosten reduziert werden. Gleichzeitig aber werden die
Optik für Kommunikation: Die frühe und energie Anforderungen an Gewicht, Baugröße, Zuverlässigkeit
effiziente Wandlung zwischen Elektronik und Optik und Effizienz auch in Zukunft nicht nachlassen, son
(Photonik) ist ein wichtiges Forschungsfeld und dern eher noch steigen.
Baustein der Nachhaltigkeit. Es werden auch Ent
wurfswerkzeuge benötigt, welche die Einbindung der Zusätzlich soll Leistungselektronik in Zukunft intelli
Optoelektronik erleichtern. genter werden und in der Lage sein, industrielle elektri
sche Antriebe auch bedarfsabhängig zu steuern, anstatt
∙ Neue Substrate und Materialien für die Hochfre sie unnötig unter Volllast zu fahren. Dies trägt dazu
quenzelektronik sind nötig, um die theoretischen bei, in immer mehr Anwendungen Energie einzuspa
Vorteile höherer Frequenzen in der Praxis ausreizen ren und damit einen großen Schritt in Richtung mehr
zu können. Klimaschutz zu machen.16 MIKROELEKTRONIK. VERTRAUENSWÜRDIG UND NACHHALTIG. FÜR DEUTSCHLAND UND EUROPA.
In der Weiterentwicklung der Leistungselektronik
finden sich unter anderem die folgenden Handlungs
Wide-Bandgap-Halbleiter
i
felder:
Als Wide-Bandgap (WBG)-Halbleiter bezeichnet man
∙ Kostensenkung: Vielversprechende Forschungs- und Halbleiter, die wegen ihrer größeren Bandlücke leis-
Entwicklungsansätze sind neue Konzepte für die tungsfähiger sind als herkömmliche Silizium-Halb-
Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) und für die leiter. Sie werden bei besonderen Anforderungen wie
Systemintegration, die für eine Produktion größerer z. B. für rauscharme Verstärker und Hochfrequenz-
Stückzahlen ausgelegt sind. Auch Plattformen und verstärker eingesetzt. Die Vorteile von WBG-Halb-
Materialeffizienz werden in der Leistungselektronik leitern sind geringere Verluste bei Schaltreglern; die
immer bedeutender. Damit lassen sich Skalierungsef Möglichkeit, höhere Spannungen, Temperaturen und
fekte heben und Kosten senken, was wiederum einen Frequenzen auszuhalten; und die erhöhte Zuver-
breiteren Einsatz der Systeme ermöglicht. lässigkeit. Die größere Bandlücke erlaubt auch die
Anwendung für optische Strahler im kurzwelligeren
∙ Effizienz: Potenziale ergeben sich durch den Ein (sichtbaren) Licht, beispielsweise für Leuchtdioden
satz von Wide-Bandgap-Halbleitern, die bei hohen (LEDs) mit den Farben Blau oder Ultraviolett.
Schaltfrequenzen betrieben werden können und
dadurch einen höheren Wirkungsgrad erreichen. Ne
ben den bereits gut erforschten Materialien Silizium ∙ Ultra-Low-Power-Leistungselektronik: In immer
carbid und Galliumnitrid werden neuen Halbleiter mehr Kleinstgeräten des Internets der Dinge findet
materialien wie Aluminiumnitrid und Galliumoxid sich Ultra-Low-Power-Leistungselektronik. Allein
hohe Effizienzpotenziale in der Leistungselektronik über die Stückzahlen spielt sie damit eine zunehmen
zugeschrieben. de Rolle bei der Energieeffizienz. Forschungsthemen
sind Zero-Power-Standby sowie die Weiterentwick
∙ Nachhaltigkeit: Je langlebiger und robuster die lung der Effizienz bis hin zur Energieautarkie.
Leistungselektronik gestaltet wird, desto nachhaltiger
ist sie. Auch über das Vermeiden kritischer Rohstoffe ∙ Elektromagnetische Verträglichkeit und Systemin-
und eine Kreislaufwirtschaft lassen sich erhebliche tegrationstechnologien: In der Leistungselektronik
Nachhaltigkeitseffekte erzielen. muss die elektromagnetische Verträglichkeit im
Zusammenspiel mit dem Systemaufbau auf allen
∙ Intelligente Leistungselektronik-Systeme: For Ebenen berücksichtigt werden. Mit zunehmender
schungsthemen für „smarte“ Leistungselektronik Systemkomplexität, Integrationsdichte und Schalt
sind neue Topologien für Systeme mit erhöhtem frequenz nehmen auch hier die Herausforderungen
Wirkungsgrad auch im Leerlauf oder Teillastbereich, weiter zu.
integrierte Sensorik zur Selbstüberwachung, aktive
Steuerung sowie integrierte Kommunikationstech
nik zur Vernetzung mit anderen Systemebenen und 3.6 Querschnittstechnologien und
Systemen. ‑themen
Bestimmte Aspekte haben als Querschnittsthemen
Weil immer mehr Anwendungen elektrisch betrieben grundlegende Bedeutung für mehrere Technologie
werden, könnte sich der Strombedarf bis 2050 nahezu felder. Sie werden in der Forschungsförderung in der
verdoppeln.9 Regel gemeinsam mit den jeweiligen Anwendungsfäl
len betrachtet, verdienen jedoch eine eigenständige
Darstellung.
9 www.acatech.de/publikation/sektorkopplung-optionen-fuer-die-naechste-phase-der-energiewendeSie können auch lesen
