Prof. Dr. Bernd Tillack: Innovative Mikroelektronik für schnelles Internet

Ob für die schnelle Datenverarbeitung in medizinischen Geräten oder in der alltäglichen Telekommunikation: Mikroelektronische Systeme müssen immer effizienter werden und immer mehr Funktionen vereinen. Am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik wird daher an leistungsstarken siliziumbasierten Systemen, ­Höchstfrequenz-Schaltungen und Technologien für verschiedenste Anwendungsbereiche geforscht.

 

Das Internet der Zukunft ist schnell. Schon heute tauschen Menschen überall und jederzeit Sprache, Daten und multimediale Inhalte aus. Das „Mobile Internet“ ermöglicht uns das Abrufen von E-Mails und Livestreams in der vernetzten Welt, das „Internet der Dinge“ verbindet unser Smart­­phone mit Gegenständen in unserer Umgebung. Schnelles drahtloses Internet kann in Zukunft die Probleme der Internet-Ver­­sorgung ländlicher Räume lösen, durch die Kommuni­kation zwischen Fahrzeugen den Verkehr sicherer machen und per Echtzeit-Übertragung extrem hochaufgelöster Bilder für medizinische Anwendungen neue Wege schaffen.

Um dies zu realisieren wird leistungsfähigere Mikroelektronik benötigt. Sie muss beispielsweise in der Lage sein, extrem hohe Frequenzen für Datenfunk oder Sensoren zu erzeugen, aber auch den Energieverbrauch sehr gering zu halten. Sili­zium ist das dominierende Material in der Mikroelektronik. Mit keinem anderen Material hat man weltweit mehr Er­­fahrungen, in keinen anderen Halbleiter wird mehr investiert. Um weiterhin kostengünstig zu fertigen, gilt es daher zusätzliche Funktionen in Silizium zu integrieren.

Schnellere drahtlose Datenübertragung bei sehr hohen Frequenzen. Immer mehr mobile Anwender und wesentlich größere Datenraten erfordern leistungsfähigere drahtlose Netze. Am IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikro­elek­tronik in Frankfurt (Oder) arbeiten Forscherinnen und For­scher daher an hohen Übertragungsraten für drahtlose Sys­­teme. 100 Gigabit und mehr pro Sekunde sind das Ziel. Das entspricht mehr als dem 30-fachen der leistungsfähigsten heute angebotenen WLAN-Systeme. Dafür sind völlig neue Lösungen erforderlich. Derart hohe Datenmengen be­nötigen unter anderem wesentlich höhere Übertragungs­frequenzen als die jetzigen, meist bei 2,4 GHz und 5 GHz arbeitenden.

Die am IHP derzeit erforschten Frequenzen liegen bei 60 GHz und 245 GHz. Sehr hohe Frequenzen sind je­doch tech­­nologisch schwerer zu beherrschen. Sie werden durch Luft stärker gedämpft, was ihre Reichweite einschränkt. Sie sind in ihren Eigenschaften dem Licht ähnlich, was beispielsweise zur erschwerten Durchdringung von Hindernissen und zu Ab­­schattungen führt. Die Undurchdring­lichkeit von Wänden bringt jedoch auch Vorteile. Dazu gehört die Abhörsicherheit, welche im Bereich der Medizintechnik und auch bei der draht­­losen Übertragung sonstiger sensibler Daten von Nutzen ist.

Netze mit kurzen Reaktionszeiten – das „Taktile Internet“. Für viele Anwendungen reichen hohe Datenraten allein nicht aus. Das „Taktile Internet“ soll durch kurze Reaktions­­zeiten, höchste Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit in der Mensch-Maschine-Kommunikation taktile und haptische Sin­­neseindrücke ermöglichen. Auch die Interaktion von Ma­­schi­­nen wird durch diese professionelle Infrastruktur re­volutioniert. Das „Taktile Internet“ gestattet es Menschen und Maschinen mobil mit taktiler Echtzeit steuernd in die Umgebung eingreifen zu können. Dazu sind kurze Reaktionszeiten von etwa einer Millisekunde erforderlich. Da selbst das Licht in dieser Zeit nur 300 Kilometer zurücklegt, gibt es eine prin­­zipielle räumliche Begrenzung für den Radius dieser Netze.

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Zu den attraktiven Anwendungsbereichen gehört die sogenannte virtuelle Realität. Mehrere Nutzer können dabei über eine Simulation physikalisch miteinander gekoppelt werden, um gemeinsam feinmotorisch anspruchsvolle Tätigkeiten auszuführen. Handlungen wie beispielsweise in der Telechi­rurgie, Mikromontage oder andere Anwendungsszenarien mit großem „Fingerspitzengefühl“ werden so möglich. Das IHP hat mit seinen langjährigen Erfahrungen mit sicheren und zuverlässigen drahtlosen Netzen exzellente Voraus­­­setzungen, um neue Lösungen für dieses „Taktile Internet“ zu entwickeln.

Mobile Labore für die Gesundheit. Neue Technologien und schnelle Übertragungsraten sind für zahlreiche Wirtschafts- und Gesellschaftsbereiche von Interesse. Allen voran der Ge­­sundheitssektor. Schon jetzt nutzen Menschen Fitness­­armbänder, häufig in Verbindung mit Apps zur Selbstopti­mier­­ung, um sich und ihren Gesundheitszustand zu überwachen. Telemedizinische Verfahren überbrücken die räumliche Distanz zwischen Patient und Arzt. In Zukunft können Lab-on-­­Chip-Lösungen Diagnostik und Therapie ergänzen und so die medizinische Versorgung sichern. Labs-on-Chip sind mobil und mit bestehenden Funknetzen verbunden. So können z. B. Analysedaten eines Patienten bei einem Notfall be­­reits im Ein­­satzfahrzeug bestimmt werden und das Ergebnis erreicht das Krankenhaus schon vor dem Eintreffen des Patienten.

Das IHP arbeitet mit seiner Kompetenz für höchste Frequenzen gezielt in Richtung eines Terahertz-Lab-on-Chip. Eine solche Lösung integriert Laborfunktionen auf einem Siliziumchip und nutzt dazu Signale im THz-Bereich für Sensorik und Datenübertragung. Um dies realisieren zu können, müssen miniaturisierte und kostengünstige elektronische Lösungen zur Erzeugung von THz-Signalen geschaffen und Funktionen für das drahtlose Senden und Empfangen von Daten, die Daten­­verarbeitung und anwendungsspezifische Sensoren integriert werden.

Siliziumphotonik – Elektronik und Photonik auf einem Chip. Für die schnelle Verarbeitung und Übertragung extrem großer Datenmengen über kurze Entfernungen spielt Licht eine entscheidende Rolle. Schon jetzt ist es Datenträger in Glas­­faserkabeln. Im Bereich der Mikroelektronik ist die Silizium­photonik besonders aussichtsreich. Dabei werden mit vorhandenen Anlagen und Technologien Bauelemente zur Wei­ter­­leitung und Verarbeitung von Licht in Silizium eingebracht. Zusätzlich wird auf dem Siliziumchip Elektronik genutzt, um die photonischen Bauelemente zu steuern. Das IHP verbindet hierbei seine extrem schnelle Silizium-Germanium-Technologie mit Photonik. Zu den langfristigen Zielen des Institutes gehören extrem leistungsfähige integrierte silizium-photonische Tera­­bit-pro-Sekunde-Systeme. Ein Terabit pro Sekunde sind Ein­­tausend Milliarden Bit, was einer Übertragung von etwa fünf kom­­pletten Spielfilmen in HD-Qualität entspricht – pro Sekunde.

Das IHP als Innovationsmotor. Das IHP ist darauf ausgerichtet, in den Bereichen schneller Siliziumelektronik, höchster Fre­­quenzen, drahtloser Kommunikation und Siliziumphotonik eine weltweit führende Rolle einzunehmen. Seine vertikale Struktur ermöglicht langfristige und abgestimmte Arbeiten vom Bereich der Grundlagenforschung bis hin zu konkreten Anwendungen. In der Pilotlinie des IHP mit spezialisierten Hochleistungstechnologien werden im Ergebnis der For­­sch­ungsarbeiten industriell relevante Demonstratoren als Basis für innovative Produkte gefertigt. Neben der draht­­losen Kommunikation und Medizintechnik finden die Leistungen des Institutes auch Anwendung für die Sicherheit, Raumfahrt, Automobilindustrie und Industrieautomatisierung.

IHP-11 Prof. Dr. Bernd Tillack
Der Autor ist Wissenschaftlich-Technischer Geschäftsführer der IHP GmbH – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik und Professor für Technologie von siliziumbasierten, integrierten Höchstfrequenzschaltungen an der TU Berlin.