Mit Schaltkreisen auf Basis des Leistungshalbleiters AlScN entwickelt das Fraunhofer IAF energieeffiziente Komponenten für ein neuartiges Edge-Cloud-Mobilfunksystem.

Bild: Fraunhofer IAF

Vom BMBF gefördertes Forschungsprojekt Energieverbrauch von Mobilfunkbasisstationen deutlich senken

25.03.2022

Das Projekt „EdgeLimit-Green ICT“ zur Realisierung von energiesparsamen Mobilfunkbasisstationen ist gestartet. Die Fraunhofer-Institute IAF und IIS wollen mit der Universität Freiburg und Industriepartnern bis 2025 auf der Grundlage AlScN-basierter Komponenten und bedarfsgerechter Steuerung ein energieeffizientes Edge-Cloud-Mobilfunksystem entwickeln.

„EdgeLimit-Green ICT“ startet nach erfolgreichem Vorprojekt zur Evaluierung neuer Halbleitertechnologien und Anwendungsansätze beim Innovationswettbewerb „Green ICT – Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik“ (IKT, engl. ICT) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Sommer 2021 in die zweite Phase.

„Energieeffiziente Mikroelektronik, wie wir sie in „EdgeLimit-Green ICT“ entwickeln, zeigt beispielhaft, wie neue Technologien leistungsfähiger werden und zugleich Ressourcen schonen können“, betont Prof. Dr. Rüdiger Quay, Projektkoordinator und geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF.

Das Projektkonsortium, das neben dem Fraunhofer IAF das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, das Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg sowie Partner aus der Industrie umfasst, will nun bis 2025 seine Lösung für energiesparsamere Mobilfunkbasisstationen realisieren.

Quay erläutert: „Die neuartigen Leistungshalbleiterkomponenten, die das Fraunhofer IAF entwickelt, versprechen im Zusammenspiel mit der vom Fraunhofer IIS konzipierten intelligenten, KI-unterstützten Vernetzung und Steuerung des Antennensystems eine Halbierung der Energieverluste bei der Übertragung im Millimeterwellenbereich von 5G.“

Die Industriepartner im Projektverbund unterstützen das Vorhaben durch Kooperationen bei der Entwicklung neuartiger Hochfrequenz-Transistoren (Nokia), der Schaltkreis-Prozessierung (United Monolithic Semiconductors) sowie der praxisorientierten Bewertung und Übertragung von Testergebnissen (Deutsche Telekom).

AlScN-Komponenten und intelligenter Cloud-Edge-Implementierung

Das hohe Energiesparpotenzial des in „EdgeLimit-Green ICT“ zu entwickelnden Antennensystems fußt zum einen auf den überlegenen Materialeigenschaften des Leistungshalbleiters Aluminiumscandiumnitrid (AlScN), der am Fraunhofer IAF per metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt und in Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit („high-electron-mobility transistors“, HEMTs) verbaut werden soll. Das Material erlaubt durch seine hohe Stromtragfähigkeit gegenüber etablierten Halbleitern wie Silizium, Galliumarsenid oder Galliumnitrid potenziell eine deutlich höhere Leistungsdichte und Verstärkung.

Zum andern resultiert das Einsparpotenzial aus einem effizienten Aufbau der Elektronik, wie Thomas von der Grün, Abteilungsleiter Präzise Lokalisierung und Analytics am Fraunhofer IIS, darstellt: „Um eine intelligente Vernetzung und bedarfsgerechte Steuerung der Sende- und Empfängermodule mit Unterstützung von Künstlicher Intelligenz (KI) möglich zu machen, entwickeln wir am Fraunhofer IIS eine innovative Elektronikarchitektur, die eine teilweise Verlagerung der Verarbeitungskapazitäten von der zentralen Infrastruktur (Cloud) an den Rand des Netzwerks (Edge) und die Implementierung von Datenverarbeitungssystemen vorsieht.“

Insgesamt sollen die Energieverluste des in „EdgeLimit-Green ICT“ zu realisierenden Antennensystems (engl. „Remote Radio Head“, RRH) durch die Kombination energieeffizienter Bauelemente und optimierter Organisation um mindestens 50 Prozent sinken, indem die Leistungseffizienz auf Verstärkerebene bei neuen Frequenzen zwischen 26 und 34 GHz verdoppelt, der Verlust in Leistungswandlern halbiert und eine bedarfsgerechte Steuerung des Systems implementiert wird.

BMBF fördert grüne IKT für Zukunftstechnologien

Moderne IKT wie der neue Mobilfunkstandard 5G hat einen bedeutenden gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Stellenwert. Sie verbessert nicht nur bestehende Leistungsparameter, beispielsweise indem sie Privatpersonen durch eine erweiterte mobile Breitbandverbindung schnelleres Internet auf dem Smartphone ermöglicht. Sie kann auch den Weg ebnen für zukunftsträchtige Anwendungen wie das Internet der Dinge („Internet of Things“, IoT), autonome Mobilität oder Industrie-Automation.

Ressourcenschonende Technologie hat deshalb in diesem Bereich einen besonders großen Einfluss auf den CO2-Fußabdruck hoch entwickelter Volkswirtschaften wie Deutschland und Europa: Sie senkt die ökonomischen wie ökologischen Kosten der Wissensgesellschaft und macht sie global wettbewerbsfähig.

Das BMBF fördert die Realisierungsphase von „EdgeLimit-Green ICT“ für drei Jahre. Vorangegangen war ein von Oktober 2020 bis Juni 2021 durchgeführtes Vorprojekt, das in Kooperation zwischen den Fraunhofer-Instituten IAF und IIS sowie dem INATECH der Universität Freiburg umgesetzt wurde und die Untersuchung und Konzeption neuer Halbleitertechnologien und Entwicklungsansätze für energieeffiziente Mobilfunksysteme vorsah.

Das Projektkonsortium setzte sich mit seinem Konzept in einer Auswahl von zehn namhaften Forschungsgruppen durch und erhielt mit dem zweiten Platz Fördermittel zur Finanzierung der Projektfortsetzung. Das Projekt „EdgeLimit-Green ICT“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

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