Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...

Die Seite wird erstellt Selina König
 
WEITER LESEN
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
Mikroelektronik.
Vertrauenswürdig und nachhaltig.
Für Deutschland und Europa.
Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation 2021-2024
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
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
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
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
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
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.
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
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
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
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
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
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
Mikroelektronik. Vertrauenswürdig und nachhaltig. Für Deutschland und Europa - Rahmenprogramm der Bundesregierung für Forschung und Innovation ...
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. Wir
10                           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 Integrationsdichte
Technologische 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.eu
Technologische 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 Prozesssicherheit
14                                     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/16152976
Technologische 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-energiewende
Sie können auch lesen