RESIST: Erfolgreicher Abschluss Resiliente Elektroniksysteme

»RESIST-Frühwarnsystem«: Monitoring-Sensor zur Funktionsüberwachung einer Schaltung.
»RESIST-Frühwarnsystem«: Monitoring-Sensor zur Funktionsüberwachung einer Schaltung.

2015 wurde das Projekt »RESilient Integrated SysTems«, kurz Resist, gestartet, um leistungsfähige und robuste Bauteile, die gleichzeitig zur Verringerung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß beitragen, zu entwickeln. Jetzt wurde das Projekt erfolgreich abgeschlossen.

Elektronische Systeme in Autos und Flugzeugen werden immer anspruchsvoller und komplexer. Sie übernehmen mehr und mehr Funktionen auf minimalem Raum, werden kleiner und leichter. Dadurch erhöht sich einerseits die Leistungsfähigkeit der Komponenten und der Energieverbrauch kann gesenkt werden. Auf der anderen Seite bringen viele der bei der Miniaturisierung eingesetzten Technologien eine größere Empfindlichkeit von elektronischen Komponenten gegenüber äußeren Belastungen mit sich. Das gilt umso mehr für die rauen Umgebungs- und Betriebsbedingungen, denen Fahrzeugkomponenten ausgesetzt sind. Um dennoch die höchsten Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Elektronik in diesem Umfeld zu erfüllen, ist es entscheidend, neue Entwurfsmethoden und Lösungen zu entwickeln. Besonders für moderne, hochintegrierte Systeme ist dabei ein reiner Robustheitsansatz allein nicht mehr ausreichend. Das Ziel vor allem für sicherheitskritische Elektronik ist es vielmehr, ein Frühwarnsystem zur Erfassung ihres „Gesundheitszustandes“ zu ermöglichen, damit Fehler vor einem Ausfall detektiert und gegebenenfalls korrigiert werden können.
Um das zu erreichen, haben Partner auf deutscher und europäischer Ebene im Projekt RESIST Konzepte drei Jahre lang erforscht, wie besonders leistungsfähige mikro- und nanoelektronische Bauteile sehr zuverlässig und robust konstruiert werden können. Der Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS des Fraunhofer IIS hat die Forschungsarbeiten an neuen Methoden, Chipaufbauten und Systemen in Deutschland koordiniert. Zum RESIST-Projektteam gehörten Airbus Innovations, Infineon Technologies, MunEDA, Nexperia Germany, Robert Bosch und Volkswagen. Als Hochschulpartner waren die Hochschule Reutlingen, die Technische Universität München und die Universität Bremen beteiligt. Die Projektarbeiten sollen dazu beitragen, dass sich die Lebensdauer und Ausfallsicherheit elektronischer Baugruppen in künftigen Automobil- und Luftfahrtanwendungen von heute 10 bis 15 auf zukünftig 25 bis 35 Jahre erhöhen kann.
»Um dabei alle Teilbereiche der Entwicklung zu berücksichtigen, spiegelt das Konsortium die gesamte Wertschöpfungskette wider«, erklärt Dr. Christoph Sohrmann, Projektleiter am Fraunhofer IIS/EAS. Die RESIST-Partner haben zum einen neuartige Ansätze erarbeitet, die schon während der Designphase eines Mikrochips oder eines Systems eine Prognose des Verhaltens im späteren Betrieb erlauben. Dazu gehören beispielsweise Verfahren, die besonders genau die Alterung einer elektronischen Schaltung wiedergeben und damit eine sehr präzise Lebensdauervorhersage ermöglichen. Diese Ergebnisse lassen sich dann bereits bei der Systemauslegung berücksichtigen. »Wir haben aber nicht nur methodisch gearbeitet, sondern auch spezielle Chipbestandteile entwickelt, um die Ergebnisse weiter zu optimieren«, so Sohrmann weiter. »Zum Beispiel ist im Projekt eine Art Frühwarnsystem entstanden, bei dem ein Sensor die Funktion einer Schaltung laufend überwacht. Drohendes Versagen durch Verschleiß kann so rechtzeitig erkannt und dem Fahrzeugführer oder Wartungsservice gemeldet werden.« Darüber hinaus schützen neuartige, robuste Bauelemente Schaltungen in besonderem Maße vor elektrostatischen Entladungen, die zu einer verkürzten Lebensdauer der Elektronik führen können. Durch die Summe der Maßnahmen wird erreicht, dass Bauteile betriebsbedingte Belastungen im Fahrzeug besser tolerieren als bislang und damit deutlich länger ausfallsicher funktionieren können.
Um die neuen Methoden und Chiparchitekturen zu erproben, haben die RESIST-Partner sie an verschiedenen Demonstratoren exemplarisch getestet. Entstanden ist unter anderem ein ausfallsicherer Gleichspannungswandler, der auch beim Ausfall von kritischen Teilkomponenten seiner Schaltung die Funktion aufrechterhält. Damit gewährleistet er den unterbrechungsfreien Weiterbetrieb der gesamten Elektronik und elektrisch betriebener Sicherheitssysteme. Für den Luftfahrtbereich wurden die Ergebnisse anhand einer optimierten Strömungskontrolle überprüft. Verteilte Aktoren erlauben hierbei eine besonders ausfallsichere und effiziente Reaktion der Tragflächen auf die gegebenen Strömungsverhältnisse.
Die Arbeiten der deutschen RESIST-Partner wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der europäischen Initiative EUREKA-CATRENE mit rund 5 Mio. Euro gefördert. Eingebettet waren ihre Forschungen in ein gleichnamiges EU-Projekt, an dem zusätzlich Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus den Niederlanden und Frankreich beteiligt waren. Die gesamten Arbeiten wurden von NXP Semiconductors Netherlands koordiniert. (st) n