Energieeffiziente Mikroelektronik: Erfolgreicher Spitzencluster: Cool Silicon

Der durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und den Freistaat Sachsen geförderte Spitzencluster »Cool Silicon« hat ein neues Kapitel aufgeschlagen. Im Juni 2016 war er mit der Projektskizze »iCool« für die Internationalisierung des Spitzenclusters erfolgreich.

Die Mikro- und Nanoelektronik ist aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. Die meisten modernen Produkte, ob nun für die Industrie oder den privaten Gebrauch, sind mit elektronischen Komponenten versehen.

Und in den letzten Jahren sind mit der Einführung der Cloud-Dienste riesige Rechenzentren entstanden (Bild 1). Doch bleibt das stetige Wachstum in diesem Bereich nicht ohne Folgen. Einerseits trägt der Einsatz von Mikroelektronik zur Energieeinsparung bei, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, andererseits braucht die Elektronik selbst immer mehr Energie. Ihr Betrieb verursacht mittlerweile zwei Prozent der weltweiten CO2-Emissionen, wobei die Tendenz steigend ist. Der Anteil klingt zunächst noch nicht besorgniserregend – aber er entspricht einem Viertel des CO2-Ausstoßes des weltweiten Pkw-Verkehrs. Gleichzeitig sind die Energiekosten für den Betrieb von Informations- und Kommunikations-Infrastrukturen zu einem bedeutsamen ökonomischen Faktor geworden.

Ausweg: höhere Energieeffizienz

Es müssen deshalb dringend neue Techniken und Elektronikkomponenten entwickelt werden, die die gleiche Leistung bei wesentlich geringerem Energiebedarf bieten. Dieser Aufgabe hat sich der 2009 gegründete Cluster Cool Silicon e.V. gewidmet. Er ist in Dresden angesiedelt, der führenden Mi­kro­elek­tro­nikregion Europas: Silicon Saxony. Mittlerweile gehören dem Cluster 60 Unternehmen und Forschungseinrichtungen an. Die Kernkompetenzen am Standort liegen im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik sowie in deren Anwendung. Dabei erfolgt ein umfangreicher Wissenstransfer zwischen der universitären Forschung und der Industrie. Auch entstehen mit den neuen Ideen aus der TU Dresden und den Hochschulen junge Unternehmen durch Ausgründungen. Im Rahmen von Cool Silicon werden diese umfangreichen Erfahrungen genutzt, um im Bereich Computing, Telekommunikation und komplexer Sensoren energieeffiziente Geräte und Systeme zu entwickeln – bis hin zu energieautarken Systemen.

Bisher über 45 erfolgreiche Projekte

Im ersten Förderzeitraum, der sich über fünf Jahre erstreckte, konnten die Partner über 45 Projekte erfolgreich abschließen. Sie wurden in den drei Fachbereichen des Cool Silicon e.V. erarbeitet: Mikro- und Nanotechnik, Integration und Applikationen sowie Materialintegration und Zuverlässigkeit.

2013 entstand als neue Forschungsorganisation das Center for Advancing Electronics Dresden (cfAED). Es bündelt die vorhandenen Kompetenzen auf den Gebieten der Mikro- und Nanoelektronik, Materialwissenschaften und Informatik, um neue Techniken für die elektronische Informationsverarbeitung der Zukunft zu erforschen. Das cfAED soll weit über den Cool-Silicon-Förderzeitraum hinaus eine wesentliche Treiberrolle für die Region Silicon Saxony spielen.

Als ein Teilbereich von Cool Silicon arbeitet seit September 2016 das ALD Lab Saxony (ALX). ALD steht für Atomic Layer Deposition und im ALX als größtem deutschen ALD-Cluster sind Arbeitsgruppen verschiedener Universitäten und Forschungseinrichtungen vereint, die gemeinsam an neuen Prozessen zur Atomlagenabscheidung arbeiten.

Außerdem sind mehrere vom Cool Silicon Management begleitete Ausgründungen aus beteiligten Forschungseinrichtungen das Ergebnis der Forschungsarbeiten. Als Beispiele stehen hierfür die Airrays GmbH und die AoTerra GmbH. Die Gründer von Airrays haben eine adaptive Antennentechnik entwickelt, die mit bis zu 100 Antennenelementen massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) und Multiuser MIMO ermöglicht. Diese Antennenelemente erlauben es den Mobilfunknetzbetreibern, über die Strahlformung die Sendeleistung wesentlich zu senken.

Das Unternehmen AoTerra GmbH hat einen wassergekühlten Serverschrank entwickelt, um die Abwärme von Rechenzentren zur Wärmeversorgung nutzen zu können. Neben dem Server-Schrank, der mit der Integration in vorhandene Heizungsanlagen vermarktet wird, bietet AoTerra auch Beratungsdienstleistungen zu Cloud-Themen und Cloud-Dienstleistungen an.

Von den 45 erfolgreichen Projekten, deren Ergebnisse überreginonal bedeutend sein werden, können hier nur einige herausragende betrachtet werden.