Jahresbericht 2024

Mikrochips müssen immer mehr leisten, z.B. für KI-Anwendungen, aber auch kostengünstig sein. Herkömmliches Chipdesign stößt dabei aktuell an seine Grenzen. Chiplets versprechen hier in Zukunft eine Lösung. Dank ihres innovativen Aufbaus lassen sich mehrere kleine Schaltkreise – in der jeweils passfähigsten Fertigungstechnologie hergestellt – nach dem Baukastenprinzip kombinieren. So wird das Gesamtsystem optimiert und es entstehen schneller neue, leistungsfähigere Systeme. Das spart in Zukunft Entwicklungszeit und Kosten. Wir arbeiten eng mit Industriepartnern zusammen, um die Chiplet-Technologie in Europa voranzutreiben. Dabei optimieren wir diese modularen Systeme mit innovativen Architekturen und forschen gleichzeitig an den Schnittstellen zwischen den Chiplets und der Stromversorgung.

Zusammen mit dem Fraunhofer IZM und dem Fraunhofer ENAS haben wir die wegweisende Initiative »Chiplet Center of Excellence« gegründet, die als Forschungspartnerschaft mit Unternehmen angelegt ist. Für eine schnelle Industrialisierung der Chiplet-Technologie bringt das Center Experten und Expertinnen aus Design, Tooling, Technologie und Anwendung entlang der Automotive-Wertschöpfungskette zusammen. Gemeinsames Ziel ist es, die Machbarkeit von Chiplet-basierten Systemlösungen frühzeitig abschätzen zu können. Zudem arbeitet der Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme gemeinsam mit dem Bereich Smart Sensing and Electronics an einer Referenzplattform für Chiplets und leitet ein Arbeitspaket des paneuropäischen Projekts »Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems«, in dem wir die Entwurfs- und Testkompetenz für die Entwicklung von Chiplets einbringen.

Unter der glühenden Sonne der afrikanischen Savanne schwebt ein Geier und scannt die endlosen Weiten unter sich – jede Bewegung, jeder Schatten wird registriert. Sein Ziel ist klar: Wenn ein Tier stirbt, will er der Erste sein, der zur Stelle ist. Das dient auch der Gesundheit des Ökosystems, denn schnell beseitigtes Aas verhindert die Ausbreitung von Krankheiten. Dank der GAIA-Initiative erhält der gefiederte Wächter nun Unterstützung durch KI und Satelliten. Im Projekt GAIA-Sat-IoT haben wir einen Tiersender für Geier entwickelt, der nicht nur eine Kamera und verschiedenste Sensoren enthält, sondern auch eine KI, die die gesammelten Daten direkt analysiert. Unser integriertes Satellitenkommunikationsmodul sorgt dafür, dass die Ergebnisse blitzschnell übermittelt werden.

Frühwarnsystem ermöglicht rasches Eingreifen

GAIA-Sat-IoT kombiniert ausgefeilte Sensorik mit KI und Satellitenkommunikation zu einem ökologischen Frühwarnsystem. Informationen über Häufungen toter Tiere, ausgetrocknete Wasservorkommen und andere Auffälligkeiten werden in der Wildtierforschung dringend benötigt, um frühzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen und ökologische Krisen verhindern zu können. Noch zuverlässiger wird es, wenn die Datenverarbeitung verteilt auf mehreren Tiersendern erfolgt, die sich bei Geieransammlungen miteinander verbinden. Wie das funktioniert, haben wir im Projekt SyNaKI erforscht. Das Ergebnis: Im digitalen Schwarm sind komplexere Analysen und genauere Vorhersagen möglich.

Kleiner Chip mit großer Wirkung: Mit unserem nanoSPECTRAL-Chip im Miniaturformat haben wir eine neuartige Technologie für spektrale Analysen entwickelt. Das ermöglicht ein breites Anwendungsfeld an Gegenständen, bei denen herkömmliche Spektrometer an ihre Grenzen geraten. Denn bisher sind die Technologien zwar sehr leistungsfähig, aber teuer und unhandlich – also unpassend für kleine Bauräume und den mobilen Einsatz. Mit dem nanoSPECTRALChip, der in Förderprojekten unseres Bereichs Smart Sensing and Electronics entwickelt wurde, können etwa Landwirtinnen und Landwirte den Reifegrad von Früchten bestimmen, Medizinerinnen und Mediziner Teststreifen analysieren, Kosmetikfirmen die Hautfeuchtigkeit messen.

Der nanoSPECTRAL-Chip reduziert das gesamte Spektrometer auf die Größe eines Chips von 2,3 mm x 3,4 mm. Gelungen ist das, indem wir die spektralen Filter direkt im CMOS-Halbleiterprozess fertigen und damit in einen Chip integrieren konnten. Das gewisse Extra: Die Produktionskosten bleiben unabhängig von der Anzahl der spektralen Kanäle nahezu konstant niedrig, das optische Spektrum wird dennoch schnell und präzise sowohl in Transmission als auch in Reflexion gemessen. Dank der bereits hohen Marktreife bieten wir interessierten Unternehmen Samples und Evaluierungskits an, mit denen Anwender erste Vorserien mit mehreren Tausend Einheiten realisieren können. Damit steht der Zukunft der Mini-Spektroskopie nichts mehr im Wege.

Bereits seit 2013 erzeugen wir mit den XXL-Computertomographen am Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS großformatige Tomogramme: Egal ob Auto, Flugzeug oder T-Rex-Schädel – die dreidimensionale Erfassung von verborgenen Strukturen eröffnet ganz neue Möglichkeiten. Bisher waren Scans von großen, länglichen Objekten mit Aufwand verbunden, für eine optimale Bildqualität mussten sie mit einer speziellen Vorrichtung in die Vertikale gebracht werden. Mit der Gantry-Bauweise ändert sich das: In Zusammenarbeit mit der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau haben wir eine XXL-CT-Anlage entwickelt, die an die Bauweise medizinischer CT erinnert.

Statt in einer vertikalen Aufhängung verbleibt das Objekt in seiner natürlichen Lage – Strahlenquelle und Röntgendetektor rotieren auf einer vertikal umlaufenden Bahn um das Messobjekt herum. Das ermöglicht Anwendungen, die aufgrund von Rahmenbedingungen, wie dem Einfluss der Schwerkraft oder dem nötigen Eintrag hoher Lasten, nicht an die Anforderungen herkömmlicher CT anpassbar sind. Bei Energien von 9 Megaelektronenvolt kann nahezu jedes Objekt durchdrungen und mit der erstmalig erreichten hohen Detailerkennbarkeit mit weniger als 100 Mikrometern dreidimensional erfasst werden. Am Fraunhofer IIS entsteht derzeit ein eigenes Gantry-Hochenergie-CT, mit dem die Möglichkeiten des XXL-Scans deutlich erweitert werden: In Zukunft untersuchen wir u.a. Gesamtfahrzeuge, Hochvoltspeicher-Systeme und Triebwerkskomponenten – für die fortschrittlichsten Produkte von morgen.

Im Bereich Automotive Audio setzen wir seit einem Jahrzehnt Maßstäbe. 2014 ging unsere Technologie Symphoria bei Audi in Serie und brachte realistische dreidimensionale Konzertsaal-Atmosphäre auf die Straße. Seitdem setzen zahlreiche Hersteller aus der Volkswagengruppe diese Erfolgsgeschichte fort. Nicht nur der bewährte Symphoria-Klang ist in vielen Modellen des Premiumsegments zu hören, auch Sonamic-Technologien halten in immer mehr Fahrzeugen von Audi, Seat, Skoda und VW Einzug. Zusätzlich kommen unsere Audiotechnologien in diesem Jahr erstmalig in Modellen der Hersteller BMW und Ford zum Einsatz.

Neben Symphoria, unserer hochwertigen Rendering-Lösung für realistischen Surround- und 3D-Sound im Fahrzeug, hat unser Team die Sonamic-Produktreihe entwickelt. Diese Technologien sorgen für ein herausragendes Entertainmenterlebnis in allen Fahrzeugklassen. Ein Beispiel ist Sonamic Panorama, das für ein »Mittendrin-Gefühl« beim Musikhören sorgt. Es ist bereits gut im Markt etabliert und ist seit 2024 auch mit einer Wiedergabemöglichkeit über Kopfstützenlautsprecher in ersten Fahrzeugen erhältlich. Als »Function-on-Demand« können Audi-Kundinnen und -Kunden seit diesem Jahr sogenannte »virtuelle Umgebungen« modellspezifisch freischalten. Dahinter steckt unser Sonamic Virtual Environment-Algorithmus, der das Auto z.B. in einen Jazzclub oder einen Konzertsaal verwandelt.

Unsere Expertinnen und Experten entwickeln Symphoria und Sonamic stetig weiter, für die Fahrzeuge von heute und morgen. Weitere Forschungsarbeiten im Automotive-Umfeld gehen hin zur Anwendung von Edge-AI-Technologien in den Fahrzeugen. Mit all unseren Lösungen tragen wir dazu bei, dass Autos in Zukunft nicht nur reine Fortbewegungsmittel sind, sondern flexible Orte zum Arbeiten, zum Entspannen oder für Entertainment.

Künstliche Intelligenz kann am richtigen Ort und mit den geeigneten Lernmodellen für viele Analysen im Industrieprozess deutliche Mehrwerte schaffen. Insbesondere dort, wo es auf Schnelligkeit, hohe Anpassungsfähigkeit und möglichst unkomplizierte Anwendung ankommt, können KI-Algorithmen ihre Stärken direkt an der »Kante«, also so nah wie möglich am Prozess, ausspielen. Wir arbeiten dabei an Konzepten und Lösungen, die unmittelbar und daher auf bestehender Hardware-Ausstattung KI zum Einsatz bringen. Ideale Anwendungen sind Machine Vision und Erkennungsaufgaben, bei denen es vor allem um schnelle Reaktionsmöglichkeit und hohe Ressourceneffizienz geht.

Unser Ansatz nimmt auf zwei hauptsächliche Faktoren Rücksicht und macht so für viele kleine und mittelständische Unternehmen die Vorteile von KI und Machine-Learning-Methoden nutzbar: Wir unterstützen unsere Projektpartner bei der Auswahl der geeigneten Modelle bzw. entwickeln die notwendige Algorithmik oder passen sie entsprechend an und wir nutzen bereits vorhandene Hardware-Infrastruktur. Zudem ertüchtigen wir die Unternehmen, selbst Anpassungen im Industrieprozess vornehmen zu können, und transferieren so das entsprechende Technologie-Know-how in die Betriebe.

Unsere Expertinnen und Experten haben unsere Edge-AI-Technologien so ausgerichtet und optimiert, dass sie auch unter Energieeffizienz- und Nachhaltigkeitsgesichtspunkten den Einstieg in digitale Transformationsprozesse so einfach und sparsam wie möglich machen.

Die Kreislaufwirtschaft – Circular Economy – ist der Schlüssel für eine nachhaltige Industrie von morgen. Durch sie wird wirtschaftliches Wachstum von der Entnahme von Primärrohstoffen entkoppelt. Um Circular Economy effizient wie auch wirtschaftlich erfolgreich umsetzen zu können, braucht es digitale Technologien und Daten – und damit eine Smart Circular Economy, die wir im Bereich Supply Chain Services vorantreiben. Zur Umsetzung benötigen Unternehmen neben neuen tragfähigen Geschäftsmodellen insbesondere eine passende Dateninfrastruktur zum Austausch von Produkt- und Prozessdaten über den gesamten Lebenszyklus. Mit dem Digitalen Produktpass (DPP) wird der Austausch von diesen Daten nach und nach regulatorisch verpflichtend: Mit ihm werden Zustand und Zusammensetzung von Produkten nachvollzogen und Informationen über Reparatur- und Recyclingmöglichkeiten bereitgestellt.

Im Projekt Fluid 4.0 arbeiten wir mit über 20 Partnern aus der Fluidtechnikbranche an der Umsetzung neuer Geschäftsmodelle und datengetriebener Services für eine Kreislaufwirtschaft. Durch den Aufbau eines gemeinsamen Datenraums wie Manufacturing-X wird die Infrastruktur geschaffen, um Produkt- und Prozessdaten über den gesamten Lebenszyklus von Pneumatik- und Hydraulikprodukten zu teilen. Der DPP dient als Instrument, das zukünftig statische und dynamische Produkt- und Prozessinformationen bereitstellt, um die angestrebten neuen Services und Geschäftsmodelle zu realisieren.