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Auf der Überholspur auf dem Big-Data-Highway

| Autor / Redakteur: Ahmad Bahai* / Kristin Rinortner

Disruptive Technologien: Halbleiter für Analogtechnik und Embedded Systems schaffen die Voraussetzungen für Innovation, Energieeffizienz, Kosteneffizienz und Leistungsfähigkeit.
Disruptive Technologien: Halbleiter für Analogtechnik und Embedded Systems schaffen die Voraussetzungen für Innovation, Energieeffizienz, Kosteneffizienz und Leistungsfähigkeit. (Bild: ©everythingpossible - stock.adobe.com)

In seinem Ausblick beschreibt Dr. Ahmad Bahai, Cheftechnologe bei Texas Instruments, die aus seiner Sicht wichtigen industriellen Entwicklungen und deren Basis, die Halbleiter für Analogtechnik und Embedded Systems.

Ich genieße jedes Mal die Beschleunigung, wenn ich in meinem Elektroauto das „Fahrpedal“ durchtrete: von 0 auf 100 in knapp 4 s – das ist schon etwas! Genauso wie ich mit meinem Auto auf der Überholspur auf der Autobahn unterwegs bin, werden die Technologien der nächsten Generation dafür sorgen, dass auch auf dem intelligenten Big-Data-Highway die Überholspur nutzbar ist.

Stellen wir uns doch einmal vor, wie moderne Technologie unser künftiges Privat- und Arbeitsleben beeinflussen wird:

  • Kollaborative Roboter an den Fließbändern der Automobilfabriken werden sich schnell rekonfigurieren lassen, um unterschiedliche Fahrzeugmodelle zu produzieren. Das bringt enorme Produktivitäts-, Kosten- und Wettbewerbsvorteile. Zurzeit kann das Rekonfigurieren einer Fabrik dagegen noch Jahre dauern.
  • Mit digitaler Bildverarbeitung (in der Branchensprache als Machine Vision bezeichnet) werden unsere Autos auch bei Dunkelheit, Nebel und Staub „sehen“ können.
  • Ladegeräte werden auf die Größe einer Kreditkarte schrumpfen und sich damit einfach in die Hosentasche stecken lassen.
  • Und jetzt etwas Leckeres: 3-D-Drucker werden eine perfekte Lasagne „drucken“ können. Sie geben nur die Zutaten hinzu, der Drucker lädt das Rezept aus dem Internet und schon wartet eine warme Mahlzeit auf Sie, wenn Sie von der Arbeit kommen.

Während die Dynamik disruptiver Technologien und neuer Markttrends die Industrie und Automobiltechnik und auch andere Märkte weiter ankurbelt, schaffen Halbleiter für Analogtechnik und Embedded Systems die Voraussetzungen für Innovation, Energieeffizienz, Kosteneffizienz und Leistungsfähigkeit.

Sehen wir uns jetzt einige der Entwicklungen, die dies und vieles mehr Wirklichkeit werden lassen, ein wenig genauer an.

Leistungsfähige und dennoch batterieschonende Elektrofahrzeuge

Die Vorteile, die Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) in Hochvolt-Anwendungen bieten, wurden unter Leistungselektronikern bereits umfassend diskutiert. Als einziges Hindernis für eine umfassende Verbreitung verblieb die Zuverlässigkeit. Nachdem diese Hürde nun aus dem Weg geräumt ist, können wir uns auf neue Möglichkeiten auf dem Automobil-, Industrie- und Medizinsektor, aber auch in der Konsumelektronik freuen.

Die Anwendungen, zu denen Wechselrichter für Elektrofahrzeuge, Antriebe, Roboter und erneuerbare Energien gehören, werden von der gesteigerten Energieeffizienz und der Miniaturisierung, die mit diesen Bauelementen möglich sind, profitieren. Dazu diese Beispiele:

  • Die Wechselrichter, die erneuerbare Energie ins Netz einspeisen, werden kleiner und effizienter.
  • Eine bessere Effizienz wird die Reichweite von Elektrofahrzeugen deutlich steigern und das Drehmoment für ein schnelles Anfahren wird den Energiespeicher nicht übermäßig beanspruchen – zu den gleichen Kosten wie bei benzinbetriebenen Fahrzeugen.
  • Außerdem wird die Batterietechnik stetig verbessert, sodass man davon ausgehen kann, dass ab 100 US-Dollar pro Kilowattstunde die Voraussetzungen für einen Massenmarkt erfüllt sind.

Integration von Taktgebern mit einer Abweichung von einer Sekunde pro Jahrzehnt

Wir leben im Big-Data-Zeitalter, die Realisierung von 5G steht kurz bevor und die Menge der Daten, die wir über leitungsgebundene und drahtlose Netzwerke verschicken, wächst explosionsartig und dürfte 2018 die Marke von 2 Zettabyte überschreiten – das sind 2 Billionen Gigabyte. Datenwandler mit Abtastraten im GSPS-Bereich, schnelle Interfaces und leistungsfähige Funksysteme bringen uns technisch auf die Überholspur.

Diese Systeme benötigen äußerst stabile und genaue Taktreferenzen. Vollintegrierte Taktgeber, die in zehn Jahren nur um eine Sekunde abweichen, werden die Leistungsfähigkeit bieten, auf die Big Data angewiesen ist.

Bei der Übertragung von Taktsignalen über Leiterplatten und in Systemen muss das Rauschen bzw. der Jitter minimiert werden. Schwingquarze haben der Industrie als Oszillatoren jahrzehntelang gute Dienste erwiesen, moderne MEMS-Oszillatoren ermöglichen jedoch eine höhere Leistung, weniger Jitter und höher integrierte Lösungen.

Durch Nebel und Staub „sehen“

Machine Vision, also die industrielle Bildverarbeitung, gehört zu den wachstumsstärksten Technologien in der Industrie und Automobiltechnik. Die Kombination von Kameras, Radar, Laser und Ultraschall wird umso kritischer, je mehr intelligente Autos, kollaborative Roboter und die industrielle Messtechnik verbreitet sind.

Natürlich ist Radar keine neue Technik, sondern wird seit Jahren als Laufzeit-Technik in adaptiven Geschwindigkeitsreglern im Auto eingesetzt. Die Integration des gesamten Funk-Frontends inklusive der digitalen Signalverarbeitung und der Antennen auf einem Chip war technisch stets eine Herausforderung – bis heute.

CMOS-Radarsensoren, beispielsweise Millimeterwellen-Sensoren wie der AWR1443 von TI, überzeugen in Bezug auf Kosten, Leistungsfähigkeit und die einfache Anwendung. Sie werden viele neue Applikationen ermöglichen und die Auflösung von Sichtsystemen verbessern:

  • Radarsensoren können durch Nebel und Staub „blicken“ und sogar vereiste Stellen auf der Fahrbahn detektieren.
  • In Krankenhäusern können Radarsensoren den Herzschlag von Patienten durch die Kleidung hindurch überwachen.
  • Durch die hohe Präzision der Radarsensoren können autonome Roboter Material, Anlagen und Behälter in Fabriken und Lagern schnell und effizient bewegen.

Es werden zukünftig viele Anwendungen für diese Technik für autonome Fahrzeuge, Roboter und intelligente Gebäude entwickelt werden.

Der Schutz von Sensoren und Aktoren

In Industrieanlagen wird immer schneller auf intelligente, vernetzte Maschinen umgestellt, die Effizienz, Sicherheit und Produktivität steigern. In einer modernen Fabrik finden sich deshalb Tausende von Sensoren und vernetzten Geräten. Das Vernetzen einer großen Zahl von Motoren, Sensoren und Aktoren verlangt allerdings nach einem sicheren und zuverlässigen Austausch von Daten und Stromversorgung zwischen verschiedenen Modulen und Subsystemen.

Isolation, also der Schutz von Steuerungen vor Spannungsspitzen und Störungen, ist eine entscheidende Voraussetzung für die Verwirklichung von Industrie 4.0. Isolation erlaubt das Installieren von steigenden Zahlen von Sensoren und Aktoren in den Fabriken, was wiederum zu gesteigerter Intelligenz, mehr Robotertechnik und höherer Produktivität führt.

Das Übertragen von Daten und Leistung über hochintegrierte Isolationsbarrieren setzt Innovationen bei der Gehäusetechnik, den Werkstoffen und dem Design integrierter Schaltungen voraus. Somit beschleunigen robuste Digitalisolatoren die Entwicklung von Industrie- und Automobil-Anwendungen.

Diese Entwicklungen beeinflussen jeden Aspekt unseres Lebens, und das Tempo der Veränderungen wird sich weiter erhöhen. Mein heutiges Elektroauto beschleunigt nicht nur enorm, sondern kann auch das Garagentor öffnen, selbstständig in die Einfahrt fahren, bei Wärme wie bei Kälte die richtige Innentemperatur aufrechterhalten, mir seine Abfahrbereitschaft melden und die Tür öffnen, wenn es mich kommen sieht.

Diese Entwicklungen – Galliumnitrid und Siliziumkarbid, Takt und Timing, Radar und Isolation – werden die Voraussetzungen für Effizienz, Power-Management, Kollaboration, Vernetzung und Intelligenz schaffen.

* * Dr. Ahmad Bahai ist Chief Technology Officer bei Texas Instruments in Dallas, USA.

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