Embedded World: Fraunhofer-Institute zeigen KI und Nachhaltigkeit für die Zukunft

Unter dem Motto ‚Intelligent. Efficient. Sustainable‘ informieren die Fraunhofer-Expertinnen und -Experten über neue Technologien und Projekte auf der internationalen Fachmesse für Embedded-Lösungen in Nürnberg. Eingebettete Systeme sind in viele Dinge des täglichen Lebens integriert und übernehmen dort wichtige steuer-, regel- und informationsverarbeitende Aufgaben.

Ihre Ausprägung reicht von Bauelementen und Modulen über Betriebssysteme, Hard- und Software-Design, Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation bis hin komplexen Systementwürfen. Für eine optimale Leistung müssen eingebettete Systeme sowohl kompakt sein als auch intelligent und insbesondere ressourcenschonend arbeiten. Auf der Embedded World 2023 demonstrieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fraunhofer-Gesellschaft Entwicklungen vom neuromorphen Chip bis zum energieautarken Sensor.

Edge AI: Künstliche Intelligenz für Elektroniksysteme

Intelligente, selbstlernende und eingebettete Systeme spielen für Unternehmen eine immer größere Rolle, um ihre Produkte smarter zu machen. Ob für Wearables im Sport, smarte Lautsprecher, Digitalisierung im Einzelhandel oder Condition Monitoring bei Industriemaschinen.

Das Fraunhofer-Institut für Intelligente Schaltungen IIS bietet mit der embeddif.[ai]-Technologie Anwendern eine Möglichkeit für die schnelle Entwicklung von KI-Lösungen für eingebettete Systeme. Dadurch können KI-Anwendungen unabhängig von einem Cloud-Server und damit nicht nur energieeffizient, sondern auch datensouverän betrieben werden. Diese Vorteile ermöglichen es Unternehmen, Künstliche Intelligenz schon auf kleinstem Raum für verschiedene Anwendungen zu nutzen.

3D-Live-Demo auf der Embedded World

Auch über neuromorphe Hardware-Architekturen kann Edge AI zum Einsatz kommen. So entwickeln die Expertinnen und Experten des Fraunhofer IIS neuartige Chip-Ansätze, die vom menschlichen Gehirn inspiriert sind. Beispielsweise die Spiking Neural Networks (SNNs), die Informationen in Form von Pulsen energieeffizient verarbeiten. In einer 3D-Live-Demo können die Besuchenden der Embedded World diese Mechanismen erleben.

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen IMS stellt mit AIfES (Artificial Intelligence for Embedded Systems) eine plattformunabhängige Machine-Learning-Bibliothek vor. AIfES läuft auf nahezu jeder Hardware vom 8-Bit-Mikrocontroller über das Smartphone bis hin zum PC. Die AIRISC-Familie von eingebetteten RISC-V-Prozessoren ist eine abgesicherte und effiziente Hardware für Sensorik-Anwendungen und eingebettete KI. Damit lassen sich kundenspezifische Erweiterungen in kurzer Zeit implementieren und so die optimale Performance für spezielle Anwendungen bereitstellen.

Darüber hinaus präsentiert das Fraunhofer IMS seinen LiDAR-Photodetektor. Dieser in-telligente Lichtsammler registriert einzelne Photonenereignisse, um so umfassende Ab-standssensoren zu entwickeln. Am Beispiel einer fliegenden Experimentierplattform – dem Albacopter – zeigen die Wissenschaftler eine Einsatzmöglichkeit dieses Detektors in urbanen Mobilitätsszenarien.

Nachhaltigkeit und Energieeffizienz eingebetteter Systeme

Im Kontext von eingebetteten Systemen ist das Thema Nachhaltigkeit sowohl bei der Entwicklung als auch der Nutzung relevant. Neben der Optimierung von energieintensiven Herstellungsprozessen sind etwa die Updatefähigkeit der verwendeten Software wichtig. Ebenso relevant ist die Frage, ob man ein System repariert oder austauscht.

Der Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS des Fraunhofer IIS zeigt eine Methode zur Schadensfrüherkennung mittels thermischer Spektroskopie. Durch die Messung des transienten Wärmewiderstands können Schäden im Gehäuse eines integrierten Schaltkreises oder diskreter elektronischer Bauteile vor einem Ausfall entdeckt werden. Es ist dann möglich, das Bauteil früh-zeitig zu reparieren oder auszutauschen.

Elektronische Verbraucher energieautark versorgen

Im Bereich Energy Harvesting entwickelt und untersucht das Fraunhofer IIS Technologien und Systeme zur Nutzung von Energie aus der Umgebung, um kleine elektronische Verbraucher energieautark zu versorgen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können aus Vibrationen an Maschinen, Geräten oder Bauwerken sowie aus Temperaturunterschieden zwischen Rohren, Leitungen oder Ventilen und der Umgebung für viele Internet-of-Things (IoT)-Sensoren genügend Energie ernten, um Sensoren zu betreiben oder die Lebensdauer von verwendeten Batterien deutlich zu verlängern.

Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik

Mit der RFicient-Technologie des Fraunhofer IIS gehören lange Responsezeiten üblicher Wake-up-Receiver der Vergangenheit an. Viele zeitkritische Anwendungen und IoT-Dienste, die entweder gleichzeitig ablaufen oder bei denen zunächst viele Knoten abgefragt werden müssen, profitieren von einer Reaktionszeit von 30 ms, um auf ein Signal zu reagieren. Dabei schließen sich schnelle Reaktion und geringer Verbrauch des Chips nicht aus. Es können so bis zu 99 % des Stromverbrauchs einsparen.

Mit zunehmender Miniaturisierung verteilter elektronischer Systeme wachsen die Herausforderungen an eine adäquate Energieversorgung. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM beschäftigt sich im Kontext von Green ICT – also Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik – mit Themen von der Systemcharakterisierung über ein energieeffizientes Hardwaredesign bis hin zum energieoptimierten Firmwaredesign. Das Fraunhofer IZM-Team modelliert und parametrisiert die gesamte Energiewandlungskette von der Quelle über eine geeignete Aufbereitung und Zwischenspeicherung bis hin zu variablen Lasten.

Sensor and System Design: Entwicklung von Mikrochips und Sensoren

Zu den Grundlagen der Embedded-Branche zählt die bedarfsgerechte und innovative Entwicklung von integrierten Schaltungen und Sensoren. Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP präsentiert sein innova-tives IC- und Backplane-Design für neue, anwendungsspezifische Mikrodisplays und Sensoren.

Besucherinnen und Besucher können sich von der Einsatzfähigkeit verschiedener OLED-Mikrodisplays überzeugen, etwa bei Wärmebild- und für Augmented Reality-Anwendungen. Ein sicheres Augmented Reality (AR)-System für industrielle Anwendungsfälle zum Beispiel in der Elektronik und im Flugzeugbau, das in Sicherheitshelmen eingesetzt werden kann, zeigt die starke Helligkeit und den geringen Stromverbrauch der verwendeten OLED-Mikrodisplays.

Weiterhin präsentieren die Forscher auch ein neues Testboard, bestückt mit je 64 Mikrodisplay-Chips, zur Evaluation beim Kunden präsentiert. Gegenüber einzelnen Evaluations-Kits soll es neue Entwicklungsideen und deren schnelle Umsetzung bei Start-ups, kleinen und mittleren oder Großunternehmen unterstützen.

Designlösungen für immer komplexere elektronische Systeme

Das Fraunhofer IIS zeigt im Kontext ‚Sensor and System Design‘ maßgeschneiderte Lösungen für die sich ständig verändernden Anforderungen industrieller Anwendungen. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung von Mixed-Signal-ASICs, intelligenten integrierten Sensorsystemen sowie auf Designlösungen für immer komplexere elektronische Systeme.

Damit Software agil entwickelt werden kann, ist tiefes SiL(Software in the Loop)-Testen eingebetteter Systeme nötig. Der Institutsteil Adaptive Systeme EAS zeigt virtuelle Hardware-Modelle, mit denen ein tiefer Software-Test bereits ohne Hardware durchgeführt wird. Die Robustheit des Systems wird so von vornherein erhöht . Das Fraunhofer IZM stellt zwei Plug & Play-Sensorplattformen vor, mit denen Konzeptideen für drahtlose Sensorik sowie für Radarsensorik schnell getestet und validiert werden.

Für die effiziente Realisierung von Radar-Projekten zeigen die Forschenden eine universelle Radar-Plattform für 24-, 60- und 79-GHz-Anwendungen. Mit der Plattform werden Anwendungen mit Reichweiten von 0,1 bis 260 m und Winkelauflösungen von kleiner 10° möglich. Die Sensor-Aktor-Plattform Swarmy ermöglicht durch modulare Sensoraufbauten eine Vielzahl gängiger Messgrößen inklusive Datenerfassung, Auswertung und Anzeige. Die Plattform ist für das industrielle Umfeld ausgelegt.

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