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Dresden. Energieeffiziente Chips für Notebooks und Smartphones, stromsparende Speichersysteme, dynamische Leistungsverstärker, energieautarke Sensoren zur Strukturüberwachung – das alles sind Technologien, die im sächsischen Dreieck Dresden-Freiberg-Chemnitz entstanden sind und beweisen, dass leistungsfähige moderne Informations- und Kommunikationssysteme keine Stromfresser sein müssen. Sie sind das Ergebnis einer nunmehr vierjährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeit im sächsischen Spitzencluster „Cool Silicon“. Heute zieht das Cluster eine Zwischenbilanz.

 

Energieeffiziente Technologien aus Europas führender Hightech-Region

 

Im Jahr 2009 schlossen sich Forschungseinreichungen und Unternehmen im Silicon Saxony zusammen, um gemeinsam die Grundlagen für energieeffiziente Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) zu legen. Die heute über 100 Projektpartner des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Spitzenclusters „Cool Silicon - Energy Efficiency Innovations from Silicon Saxony“ entwickeln seitdem in drei Forschungsschwerpunkten („Areas“) organisations- und institutionsübergreifend IT-Lösungen, die den Energieverbrauch im Bereich der IKT deutlich senken. Die Entwicklungen reichen dabei bis hin zu energieautarken Systemen.

 

Technische Projektergebnisse – Kleine Komponenten mit großer Wirkung

 

„Die Clusterpartner haben in den letzten vier Jahren wichtige Meilensteine auf dem Weg zu energieeffizienter IKT erreicht und können höchst interessante technische Projektergebnisse vorweisen“, sagt Clusterkoordinator Prof. Thomas Mikolajick. In Area 1 „Mikro- und Nanotechnologien“ ist es im Projekt „Cool Computing“ unter Leitung von GLOBALFOUNDRIES gelungen, Prozessoren und andere Hochleistungschips mit einer neuen Technologie zu entwickeln, die bei Strukturgrößen von 32 und 28 Nanometern den Stromverlust von Chips signifikant reduzieren. „Mit der so genannten High-k-Metal-Gate-Technologie“, so Arealeiterin Dr. Sabine Kolodinski, „lässt sich zum Beispiel die Laufzeit eines durchschnittlichen Laptops oder Smartphones um 30 Prozent im Vergleich zur Vorgängergeneration erhöhen. Auch W-LAN-Router benötigen dann wesentlich weniger Strom". Ein Beispiel: In Deutschland gibt es ca. 28 Millionen W-LAN-Haushalte. Wenn allein 20 Millionen von ihnen die neue Technologie nutzen, würde der Energiebedarf um bis zu 60 Megawatt sinkt – pro Jahr. So ließe sich ein Zehntel der Leistung eines durchschnittlichen Kernkraftwerkes einsparen.

 

Mobilfunkbasisstationen mit Einsparpotenzial von über 20 Prozent

 

Kommunikationstechnologie der nächsten und übernächsten Generation profitiert ebenfalls von der Arbeit in Cool Silicon. Die Projekte „Cool BaseStations“ und „Cool BroadcastRepeater“ aus der Area „Kommunikationssysteme“ forschen an energieeffizienten und energieautarken Basisstationen für drahtlose Kommunikationstechnik. „Durch eine adaptive Regelung ist es in „Cool Basestations“ und „Cool BroadcastRepeater“ gelungen, den Leistungsverbrauch von Leistungsverstärkern zu halbieren“, erklärt Prof. Frank Ellinger vom Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie an der TU Dresden. In diesem Ansatz kann die Sendeleistung den Ansprüchen angepasst werden. So wird beispielsweise weniger Leistung benötigt, wenn sich der Nutzer in der Nähe einer Basisstation befindet. „Dadurch kann der Leistungsverbrauch in Mobilfunktelefonen sowie in Modulen für das digitale Fernsehen und Radio um bis zu 20 Prozent reduziert werden“, so Ellinger weiter. In „Cool BaseStations“ wurden zudem Prozessoren entwickelt, deren Taktfrequenz und Versorgungspannung adaptiv geregelt werden kann. So ist es möglich, bis zu 40 Prozent der Energie in Mikroprozessoren zu sparen.

 

Mikro- und Nanotechnologie findet sich auch da, wo man sie kaum vermutet. Die im Projekt „Cool SensorNet“ der Area „Sensornetzwerke“ entwickelten energieautarken Sensoren leisten Großes: Einlaminiert in Leichtbaustrukturen, die zum Beispiel im modernen Flugzeugbau oder bei Windkraftanlagen verwendet werden, überwachen sie die Struktur und melden Verschleiß – mit eigener autarker Stromversorgung. „Diese Sensoren beziehen die für ihre Arbeit benötigte Energie aus den natürlichen Schwingungen der Bauteile, die sie überwachen“, erklärt Arealeiter Dr. Dieter Hentschel. „Dank dieser energieautarken Sensoren werden Flugzeuge viel besser in Leichtbauweise realisierbar. Denn diese bestehen aus Kohlefaserverbundstoffen, deren Struktur schwierig mit traditionellen Methoden überwacht werden kann – diese Aufgabe übernehmen die Cool Silicon Sensoren. So ermöglicht Cool Silicon den Bau von Flugzeugen aus effektiven Kohlefaserverbundstoffen, die auf einem Transatlantikflug etwa 25 Prozent weniger Kerosin benötigen als ihre konventionellen Vorgänger. Mit dieser Entwicklung trägt das Spitzencluster auch dazu bei, den Energiebedarf des zunehmenden Luftverkehrs einzudämmen.“

 

Frühzeitige Nachwuchsarbeit: Das Cool Silicon Bildungsprojekt

 

Die Arbeit von Cool Silicon beschränkt sich jedoch nicht auf Forschung und Entwicklung. Das Bildungsprojekt, eines der flankierenden inhaltlichen Begleitprojekte des Spitzenclusters, kümmert sich um die Nachwuchsarbeit. „Erfolgreiche Forschung braucht kluge Köpfe – und besonders in der Mikro- und Nanotechnologie sind Experten gefragt. Die Cool Silicon-Projekte setzen schon früh an: Wir wollen Schüler so früh wie möglich an unserem Forschungsbereich interessieren“, erläutert Cool Silicon-Vorstand Helmut Warnecke. In der „Lötpunkt-AG“ von Cool Silicon werden schon Grundschüler spielerisch für das Thema Halbleiterei begeistert. Ältere Schüler bekommen im Mentoring-Programm des Spitzenclusters Studenten der MINT-Fächer zur Seite gestellt, die ihnen zeigen, was in diesen Studiengängen auf sie zukommt. „Unsere Branche braucht spezialisierte Fachleute. Daher haben wir gemeinsam mit der Technischen Universität Dresden einen forschungsorientierten Studiengang initiiert, der bereits im zweiten Jahrgang zukünftige Spitzenforscher ausbildet“, so Helmut Warnecke weiter. Der englischsprachige Masterstudiengang „Nanoelectronic Systems“ führt die Studenten im Laufe von vier Semestern durch die Grundlagen und Herausforderungen nanoelektronischer Systeme. „Die Studenten erleben dabei, wie die Cool Silicon-Vision, nämlich IKT energieeffizienter zu gestalten, praktisch umgesetzt werden kann. Denn theoretisches Wissen allein spart keine Energie“, sagt Studiendekan und Cool Silicon-Koordinator Prof. Thomas Mikolajick. Der Studiengang ist international sehr beliebt: Für den zweiten Jahrgang, der im Oktober 2012 sein Studium aufnimmt, bewarben sich 136 Männer und Frauen aus 20 Ländern. Für den Jahrgang 2011 hatten sich 25 Interessierte aus 9 Ländern beworben.

 

Innovationen für den Hightech-Standort Deutschland: 3. Symposium Mikroelektronik in Berlin

 

Das sächsische Spitzencluster ist ein wichtiger Teil des starken IKT-Standortes Sachsen und seine technischen Lösungen leisten einen bedeutenden Beitrag zur Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit der Bundesrepublik Deutschland. Am 25. September findet in der Vertretung des Freistaates Sachsen beim Bund im Rahmen des 3. Symposiums Mikroelektronik ein Parlamentarischer Abend statt, an dem auch die Sächsische Staatsministerin für Wissenschaft und Kunst, Prof. Sabine von Schorlemer, teilnimmt. „An diesem Abend kommen in Berlin zentrale Akteure der deutschen Mikroelektronik zusammen, um die Entwicklung der von der europäischen Kommission als ‚Key Enabling Technology’ bezeichneten Branche zu diskutieren“, freut sich Heinz Martin Esser, Vorstand des sächsischen Branchenverbandes Silicon Saxony e.V. und einer der Gastgeber des Symposiums. „Wir stehen kurz vor der jährlichen Leitmesse SEMICON Europa, die vom 9. bis 11. Oktober in Dresden stattfindet. Diese Berliner Runde wollen wir nutzen, um einen Dialog anzuregen, der auf Europas wichtigster Halbleitermesse weitergeführt werden wird“.

 

 

Die im Projekt Cool SensorNet entwickelten energieautarken Sensoren können zur Überwachung von Bauteilen aus Kohlefaserverbundestoffen, z.B. für moderne Flugzeuge und Windräder, eingesetzt werden.Dresden. Energieeffiziente Chips für Notebooks und Smartphones, stromsparende Speichersysteme, dynamische Leistungsverstärker, energieautarke Sensoren zur Strukturüberwachung – das alles sind Technologien, die im sächsischen Dreieck Dresden-Freiberg-Chemnitz entstanden sind und beweisen, dass leistungsfähige moderne Informations- und Kommunikationssysteme keine Stromfresser sein müssen. Sie sind das Ergebnis einer nunmehr vierjährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeit im sächsischen Spitzencluster „Cool Silicon“. Heute zieht das Cluster eine Zwischenbilanz.

 

Energieeffiziente Technologien aus Europas führender Hightech-Region

 

Im Jahr 2009 schlossen sich Forschungseinreichungen und Unternehmen im Silicon Saxony zusammen, um gemeinsam die Grundlagen für energieeffiziente Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) zu legen. Die heute über 100 Projektpartner des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Spitzenclusters „Cool Silicon - Energy Efficiency Innovations from Silicon Saxony“ entwickeln seitdem in drei Forschungsschwerpunkten („Areas“) organisations- und institutionsübergreifend IT-Lösungen, die den Energieverbrauch im Bereich der IKT deutlich senken. Die Entwicklungen reichen dabei bis hin zu energieautarken Systemen.

 

Technische Projektergebnisse – Kleine Komponenten mit großer Wirkung

 

„Die Clusterpartner haben in den letzten vier Jahren wichtige Meilensteine auf dem Weg zu energieeffizienter IKT erreicht und können höchst interessante technische Projektergebnisse vorweisen“, sagt Clusterkoordinator Prof. Thomas Mikolajick. In Area 1 „Mikro- und Nanotechnologien“ ist es im Projekt „Cool Computing“ unter Leitung von GLOBALFOUNDRIES gelungen, Prozessoren und andere Hochleistungschips mit einer neuen Technologie zu entwickeln, die bei Strukturgrößen von 32 und 28 Nanometern den Stromverlust von Chips signifikant reduzieren. „Mit der so genannten High-k-Metal-Gate-Technologie“, so Arealeiterin Dr. Sabine Kolodinski, „lässt sich zum Beispiel die Laufzeit eines durchschnittlichen Laptops oder Smartphones um 30 Prozent im Vergleich zur Vorgängergeneration erhöhen. Auch W-LAN-Router benötigen dann wesentlich weniger Strom". Ein Beispiel: In Deutschland gibt es ca. 28 Millionen W-LAN-Haushalte. Wenn allein 20 Millionen von ihnen die neue Technologie nutzen, würde der Energiebedarf um bis zu 60 Megawatt sinkt – pro Jahr. So ließe sich ein Zehntel der Leistung eines durchschnittlichen Kernkraftwerkes einsparen.

 

Mobilfunkbasisstationen mit Einsparpotenzial von über 20 Prozent

 

Kommunikationstechnologie der nächsten und übernächsten Generation profitiert ebenfalls von der Arbeit in Cool Silicon. Die Projekte „Cool BaseStations“ und „Cool BroadcastRepeater“ aus der Area „Kommunikationssysteme“ forschen an energieeffizienten und energieautarken Basisstationen für drahtlose Kommunikationstechnik. „Durch eine adaptive Regelung ist es in „Cool Basestations“ und „Cool BroadcastRepeater“ gelungen, den Leistungsverbrauch von Leistungsverstärkern zu halbieren“, erklärt Prof. Frank Ellinger vom Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie an der TU Dresden. In diesem Ansatz kann die Sendeleistung den Ansprüchen angepasst werden. So wird beispielsweise weniger Leistung benötigt, wenn sich der Nutzer in der Nähe einer Basisstation befindet. „Dadurch kann der Leistungsverbrauch in Mobilfunktelefonen sowie in Modulen für das digitale Fernsehen und Radio um bis zu 20 Prozent reduziert werden“, so Ellinger weiter. In „Cool BaseStations“ wurden zudem Prozessoren entwickelt, deren Taktfrequenz und Versorgungspannung adaptiv geregelt werden kann. So ist es möglich, bis zu 40 Prozent der Energie in Mikroprozessoren zu sparen.

 

Mikro- und Nanotechnologie findet sich auch da, wo man sie kaum vermutet. Die im Projekt „Cool SensorNet“ der Area „Sensornetzwerke“ entwickelten energieautarken Sensoren leisten Großes: Einlaminiert in Leichtbaustrukturen, die zum Beispiel im modernen Flugzeugbau oder bei Windkraftanlagen verwendet werden, überwachen sie die Struktur und melden Verschleiß – mit eigener autarker Stromversorgung. „Diese Sensoren beziehen die für ihre Arbeit benötigte Energie aus den natürlichen Schwingungen der Bauteile, die sie überwachen“, erklärt Arealeiter Dr. Dieter Hentschel. „Dank dieser energieautarken Sensoren werden Flugzeuge viel besser in Leichtbauweise realisierbar. Denn diese bestehen aus Kohlefaserverbundstoffen, deren Struktur schwierig mit traditionellen Methoden überwacht werden kann – diese Aufgabe übernehmen die Cool Silicon Sensoren. So ermöglicht Cool Silicon den Bau von Flugzeugen aus effektiven Kohlefaserverbundstoffen, die auf einem Transatlantikflug etwa 25 Prozent weniger Kerosin benötigen als ihre konventionellen Vorgänger. Mit dieser Entwicklung trägt das Spitzencluster auch dazu bei, den Energiebedarf des zunehmenden Luftverkehrs einzudämmen.“

 

Frühzeitige Nachwuchsarbeit: Das Cool Silicon Bildungsprojekt

 

Die Arbeit von Cool Silicon beschränkt sich jedoch nicht auf Forschung und Entwicklung. Das Bildungsprojekt, eines der flankierenden inhaltlichen Begleitprojekte des Spitzenclusters, kümmert sich um die Nachwuchsarbeit. „Erfolgreiche Forschung braucht kluge Köpfe – und besonders in der Mikro- und Nanotechnologie sind Experten gefragt. Die Cool Silicon-Projekte setzen schon früh an: Wir wollen Schüler so früh wie möglich an unserem Forschungsbereich interessieren“, erläutert Cool Silicon-Vorstand Helmut Warnecke. In der „Lötpunkt-AG“ von Cool Silicon werden schon Grundschüler spielerisch für das Thema Halbleiterei begeistert. Ältere Schüler bekommen im Mentoring-Programm des Spitzenclusters Studenten der MINT-Fächer zur Seite gestellt, die ihnen zeigen, was in diesen Studiengängen auf sie zukommt. „Unsere Branche braucht spezialisierte Fachleute. Daher haben wir gemeinsam mit der Technischen Universität Dresden einen forschungsorientierten Studiengang initiiert, der bereits im zweiten Jahrgang zukünftige Spitzenforscher ausbildet“, so Helmut Warnecke weiter. Der englischsprachige Masterstudiengang „Nanoelectronic Systems“ führt die Studenten im Laufe von vier Semestern durch die Grundlagen und Herausforderungen nanoelektronischer Systeme. „Die Studenten erleben dabei, wie die Cool Silicon-Vision, nämlich IKT energieeffizienter zu gestalten, praktisch umgesetzt werden kann. Denn theoretisches Wissen allein spart keine Energie“, sagt Studiendekan und Cool Silicon-Koordinator Prof. Thomas Mikolajick. Der Studiengang ist international sehr beliebt: Für den zweiten Jahrgang, der im Oktober 2012 sein Studium aufnimmt, bewarben sich 136 Männer und Frauen aus 20 Ländern. Für den Jahrgang 2011 hatten sich 25 Interessierte aus 9 Ländern beworben.

 

Innovationen für den Hightech-Standort Deutschland: 3. Symposium Mikroelektronik in Berlin

 

Das sächsische Spitzencluster ist ein wichtiger Teil des starken IKT-Standortes Sachsen und seine technischen Lösungen leisten einen bedeutenden Beitrag zur Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit der Bundesrepublik Deutschland. Am 25. September findet in der Vertretung des Freistaates Sachsen beim Bund im Rahmen des 3. Symposiums Mikroelektronik ein Parlamentarischer Abend statt, an dem auch die Sächsische Staatsministerin für Wissenschaft und Kunst, Prof. Sabine von Schorlemer, teilnimmt. „An diesem Abend kommen in Berlin zentrale Akteure der deutschen Mikroelektronik zusammen, um die Entwicklung der von der europäischen Kommission als ‚Key Enabling Technology’ bezeichneten Branche zu diskutieren“, freut sich Heinz Martin Esser, Vorstand des sächsischen Branchenverbandes Silicon Saxony e.V. und einer der Gastgeber des Symposiums. „Wir stehen kurz vor der jährlichen Leitmesse SEMICON Europa, die vom 9. bis 11. Oktober in Dresden stattfindet. Diese Berliner Runde wollen wir nutzen, um einen Dialog anzuregen, der auf Europas wichtigster Halbleitermesse weitergeführt werden wird“.

 

 

Die im Projekt Cool SensorNet entwickelten energieautarken Sensoren können zur Überwachung von Bauteilen aus Kohlefaserverbundestoffen, z.B. für moderne Flugzeuge und Windräder, eingesetzt werden.