Kompetenzzentrum »Green ICT @ FMD« | Über das Potenzial und die Notwendigkeit grüner Mikroelektronik

Das Kompetenzzentrum »Green ICT @ FMD« entstand im Rahmen der Green-ICT-Mission der Bundesregierung. Hier bauen die in der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) kooperierenden Fraunhofer- und Leibniz-Institute sowie das Fraunhofer ISI gemeinsam ein virtuelles Kompetenzzentrum für Forschung und Entwicklung von ressourcenbewusster Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) auf. Das Ziel: Zur Verringerung des CO₂-Fußabdrucks digitaler Technologien beitragen.

Ein Großteil unserer digitalen Welt wird durch IKT – deutsch für information and communications technology (ICT) – bestimmt. ICT steht also für Technologien, die unser Alltags- und Arbeitsleben durchdringen, von Smartphones über Smart Home-Anwendungen, bis hin zu speziellen Sensorsystemen für das Internet der Dinge (IoT). Solche Technologien bereichern und erleichtern unser Leben und der Bedarf wächst rasant weiter – der Daten- und Energieverbrauch auch. Damit stellen IKT-Produkte sowohl in der Anwendung als auch in der Herstellung eine große Belastung für die Umwelt dar. Jedoch entstehen durch Digitaltechnologien gleichzeitig viele Möglichkeiten und Chancen, mit intelligenter Steuerung von Geräten, Anlagen, Prozessen und Netzen Energie einzusparen und damit das Klima zu schützen. Deshalb ist es besonders wichtig, stets den gesamten Lebenszyklus der Hardware entlang aller Systemebenen zu berücksichtigen. Indem man die Bereiche »Green ICT«, »Green by ICT«, »Green Energy Systems« und »Ökodesign« aufeinander abstimmt, können ganzheitlich durchdachte Gesamtsysteme mit ressourcensparender und nachhaltigerer Elektronik geschaffen werden. Nachhaltige Elektronik bedeutet, gerade so viele natürliche Ressourcen zu nutzen wie notwendig und den ökologischen Fußabdruck unserer digitalen Welt so niedrig wie möglich zu gestalten.

Die Mikroelektronik ist die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Nahezu jedes moderne elektrische Gerät ist heute mit mikroelektronischen Komponenten ausgestattet. Halbleiter und Chips kommen in den verschiedensten Anwendungsfeldern vor und sind aus unserem Alltag und unserer Wirtschaft nicht mehr wegzudenken. Ein Vergleich, um sich diese Dimension besser vorstellen zu können: Würden wir die Wafer – jene wenige 100 Mikrometer dünne Siliziumscheiben, die Ausgangsstoff aller mikroelektronischen Komponenten sind – auf einer Fläche nebeneinander ausbreiten, so könnten wir mit den allein im Jahr 2022 verbrauchten Wafern eine Fläche von 9,5 Quadratkilometern bedecken. Dies entspricht in etwa der Größe von 1.300 Fußballfeldern.
Nur wenn wir also jede Einzelkomponente beachten und deren genauen Umwelteinfluss kennen, können wir Systeme über den gesamten Lebenszyklus ressourcenschonender und nachhaltiger gestalten. Dadurch kann die Mikroelektronik einen bedeutenden Teil dazu beitragen, die Umweltbelastungen zu reduzieren.

In unserem Vorhaben konzentrieren wir uns beispielsweise darauf, den Ressourcenverbrauch von Sensor-Edge-Cloud-Systemen, energiesparenden Kommunikationsinfrastrukturen und ressourcenoptimierten Elektronikproduktionsprozessen zu bewerten und anschließend zu verbessern. Moderne vernetzte IKT-Systeme verfügen neben den zentralen Datenverarbeitungsinfrastrukturen (Cloud) über zunehmende Kapazitäten zur Datensammlung und -verarbeitung am Netzwerkrand (Edge). Dadurch ergeben sich mehr Möglichkeiten zur Optimierung von Datenverarbeitungs- und Übertragungsprozessen zwischen Cloud und Edge und damit eine Minimierung des Ressourcenverbrauchs bei der Nutzung von IKT.
Weiteres Einsparpotenzial sehen wir bei der Entwicklung von leistungsfähigen Netzwerken wie 5G und 6G, aber vor allem auch bei den Treibhausgasemissionen, die während der Herstellung von mikroelektronischen Bauteilen anfallen. Den gesamten Energieverbrauch möglichst ressourcenschonend zu minimieren, erfordert genaue Kenntnis über den Energieverbrauch einzelner Netzwerkkomponenten und das wollen wir im Projekt herausfinden.

Unser Angebot im Rahmen von »Green ICT @ FMD« ist stark anwendungsorientiert und nach wirtschaftlichen Erfordernissen ausgerichtet. In sogenannten Technologie-Hubs werden sämtliche Technologiekompetenzen der kooperierenden Fraunhofer- und Leibniz-Institute an die zentralen Fragestellungen zukünftiger IKT-Anwendungen ausgerichtet gebündelt.
Die thematischen Schwerpunkte, Sensor-Edge-Cloud-Systeme, energieeffiziente Kommunikationsinfrastrukturen sowie Materialien und Herstellungsprozesse für ressourcenoptimierte Elektronikproduktion haben dabei eine besonders hohe Relevanz für industrielle Partner in Deutschland und Europa. Diese können an der technologischen Ausrichtung der Green ICT-Hubs also aktiv partizipieren. So stärken wir durch nachhaltige Elektronik nicht nur den Klimaschutz, sondern auch europäische Wettbewerbsfähigkeit. Gleichzeitig profitieren Unternehmen von der steigenden Beliebtheit und der Marktakzeptanz »grüner« Produkte. Zumal mit den aktuellen Energiepreisen Energieeffizienz in allen Bereichen gefordert ist.

Die IKT-Industrie wird eine wichtige Rolle beim Erreichen von Nachhaltigkeits- und Umweltschutzzielen spielen. Die Erkenntnis darüber, dass der IKT-Sektor einen signifikanten Einfluss auf die Umwelt hat und dass es notwendig ist, diesen Einfluss zu minimieren, um die Klimaziele zu erreichen, wächst. Zukünftig sind also deutliche Einsparungen hinsichtlich der Emission von Treibhausgasen essenziell, um den technologischen Fortschritt von Deutschland und Europa in dem bisherigen Tempo klimaverträglich ausbauen zu können.

Durch das Kompetenzzentrum »Green ICT @ FMD« wird die anwendungsorientierte Forschung in den kommenden 3,5 Jahren in Bezug auf Ressourcenschonung und eine deutliche Reduktion des CO₂-Footprints in der Weiterentwicklung von IKT-Anwendungen und -Infrastrukturen in Deutschland und Europa schrittweise und bedarfsgerecht ausgebaut. Durch die Abstimmung und Bündelung der Green-ICT-spezifischen Fragestellungen können technologieübergreifende IKT-Gesamtlösungen für Partner in Wirtschaft und Wissenschaft angeboten werden, die die ökologischen Auswirkungen berücksichtigen.
Ein weiterer zukunftsorientierter Aspekt, der durch das Kompetenzzentrum aufgegriffen wird, ist die Nachwuchsförderung. Dazu gehören das akademische Nachwuchsprogramm »Green ICT Camp«, das sich aktuell in der Konzeption für 2024 befindet, sowie der Studienpreis »Green ICT Award«, der dieses Jahr erstmalig vergeben wird.

Mit dem »Green ICT Space« wollen wir Start-ups sowie kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) einen niedrigschwelligen Zugang zur innovativen mikroelektronischen Infrastruktur ermöglichen und damit zu einer ressourcenschonenden Produktentwicklung beitragen. In dem Hub begleiten wir von Anfang an Produktideen neu gegründeter Start-ups sowie der KMU und unterstützen diese dabei, funktionsfähige Prototypen oder Demonstratoren umwelt- und ressourcenschonend zu entwickeln und später umzusetzen.
Aufbauend auf den in der FMD etablierten Angeboten, Strukturen und der fachlichen Expertise der teilnehmenden Fraunhofer- und Leibniz-Institute lässt sich dies zielgerichtet und effizient umsetzen. Wir werden in den nächsten zwei Jahren insgesamt drei Ausschreibungen starten, die einen vordefinierten Bewerbungsprozess initiieren. Interessierte Start-ups und KMU dürfen uns also gern im Auge behalten. Die erste Ausschreibung startet am 31. Mai 2023 auf der Webseite des Kompetenzzentrums.