Technologietrends Vier Schlüsseltechnologien für Innovationen im Jahr 2017

Autor / Redakteur: Ahmad Bahai * / Kristin Rinortner

Die Halbleitertechnik ist die Triebfeder für Entwicklungen bei hohen Spannungen, teilautonomen Systemen in der Automobiltechnik und Robotik, bei intelligenten Gebäude- und Stadtkonzepten sowie persönlichen Elektronikgeräten.

Technologietrends 2017: Leistungswandler, teilautonome Systeme, intelligente Gebäudetechniken sowie Personal Electronics sind Triebfedern der Innovationen.
Technologietrends 2017: Leistungswandler, teilautonome Systeme, intelligente Gebäudetechniken sowie Personal Electronics sind Triebfedern der Innovationen.
(Bild: © zapp2photo/Fotolia.com)

Die Elektrifizierung im Alltag steigt. Elektronik durchdringt unser Leben immer stärker. Alle Geräte im Umfeld von Personen in modernen Städten und auch auf dem Land werden smarter und sind zunehmend vernetzt. Das ist die Ursache dafür, dass der Anteil an Halbleiterbauteilen in diesen Geräten rasant steigt. Big Data gewinnt fortwährend an Bedeutung, persönliche elektronische Geräte sind immer stärker auf die Bedürfnisse des Trägers zugeschnitten und „Intelligenz“ wandert in Maschinen.

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Für das Jahr 2017 lassen sich die nachfolgend beschriebenen technologischen Trends diagnostizieren, die aktuelle und zukünftige innovative Entwicklungen wesentlich mit beeinflussen werden. Einige dieser Evolutionen, die sich bereits im Vorjahr abgezeichnet haben, werden immer wichtiger für die Gestaltung der modernen Technologie-Landschaft. Dazu zählen Bauelemente für hohe Spannungen, teilautonome Systeme im Automobil, intelligente Gebäude und Stadtkonzepte sowie persönliche elektronische Geräte und deren Schnittstellen.

Bauelemente für hohe Spannungen

Der steigende Bedarf für Halbleiterbauteile im Bereich der Technik für hohe Spannungen wird zum Teil durch die steigende Popularität von Elektro- und Hybridfahrzeugen vorangetrieben. Die wichtigen Automobilhersteller entwickeln offensiv Fahrzeuge mit Hybrid- und Elektroantrieb. Aus diesem Grund wird der Bedarf an Leistungstreibern und Ladestationen das Wachstum in der Leistungselektronik für hohe Spannungen weiter ankurbeln.

Leistungselektronik für hohe Spannungen

Leistungselektronik, die für hohe Spannungen ausgelegt ist, wird im Zuge der Entwicklung und zunehmenden Verbreitung von 5G-fähigen Geräte auch für die Versorgung widerstandfähigerer Rechenzentren benötigt. Darauf soll später im Zusammenhang mit intelligenten Gebäuden und Städten noch genauer eingegangen werden.

Netzbetriebene Anwendungen, zu denen beispielsweise intelligente oder Schnellladetechniken gehören, sind ebenfalls auf spannungsfeste Leistungselektronik angewiesen und lassen ebenfalls ein gesundes Wachstum erkennen. Ebenso solide Zuwachsraten verzeichnen die traditionellen Leistungshalbleiter. Auch bei den Leistungshalbleitern auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) eröffnen sich – vorausgesetzt, dass die Preise sinken – durch die wachsende Leistungsdichte vielversprechende Möglichkeiten.

Teilautonome Systeme in der Automobil- und Robotertechnik

Elektronische Zusatzfunktionen setzen sich in der Automobilindustrie mit gleichem Tempo durch wie im Consumer-Bereich. Das unterstreicht auch die Tatsache, dass die Halbleiteranteile im Fahrzeug seit 2010 schneller wachsen als der Automobilmarkt insgesamt. Da die Qualitätsanforderungen auf dem Automobilsektor höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer verlangen, hat die Entwicklung von Fahrzeugen der nächsten Generation sowohl neue technische Herausforderungen als auch Marktversprechen mit sich gebracht.

Komplexe Fahrerassistenzsysteme greifen für das autonome Fahren auf mehrere Kameras sowie Radar-, Lidar- und Ultraschallsensoren zurück. Darüber hinaus bietet der Bereich Hybrid- und Elektrofahrzeuge, der die Innovationen in der Leistungselektronik mit vorangetrieben hat, vielversprechende Potenziale, auch wenn diese Fahrzeuge erst einen geringen Prozentsatz des gesamten Marktanteils ausmachen.

Robotertechnik auf dem Vormarsch

Ein weiteres teilautonomes System, das sich in diesem Jahr vergrößern wird, ist die Robotertechnik, die in industriellen Anwendungen traditionell für bestimmte Routine- und Präzisionsaufgaben eingesetzt wird. Mittlerweile ergeben sich für Roboter auch neue Einsatzmöglichkeiten in Unternehmen, in der Bildung, in der Consumer-Elektronik und an Fertigungsstraßen, wo Roboter neben Menschen eingesetzt werden. Moderne Steuerungstechniken im Verbund mit leistungsfähigen Antrieben und Sensoren werden in Robotern in großem Umfang genutzt.

Neue Anwendungen für Drohnentechnik

Intensivere professionelle Verwendung finden ebenfalls Drohnen. Ihr Einsatz in Anwendungen der Sicherheitstechnik, in der Unterhaltungselektronik und im Vermessungswesen wird in diesem Jahr ebenfalls zunehmen. Für viele kritische Anwendungen werden verbesserte Sensorsysteme verwendet und die Flugdauer wird verlängert werden.

Intelligente Gebäude- und Stadtkonzepte

In intelligenten Gebäuden und Stadtkonzepten werden Anwendungen des Internet of Things stärker als in den übrigen Segmente im Industriebereich genutzt. In immer mehr kommerziellen Gebäuden und Fabriken werden heute beispielsweise Sensornetzwerke für die Bereiche Sicherheit, Versorgung, Überwachung, Wasser- und Luftqualität usw. eingesetzt. Weltweit schreitet die Urbanisierung voran.

Angesichts der zunehmenden Ballung von Menschen in Mega-Citys darf nicht unterschätzt werden, wie kritisch es ist, Energieeffizienz, eine bessere Qualität des Transportwesens sowie ein besseres Wasser- und Versorgungsmanagement zur Verfügung zu stellen. Mit wachsendem Tempo setzen Stadtplaner außerdem auf intelligentere Verkehrsüberwachung, Sicherheitssysteme und eine intelligente Überwachung der öffentlichen Versorgung.

In Anbetracht des wachsenden Umfangs des ‚Big Data‘-Konzepts nimmt die Nachfrage nach Daten – ob leitungsgebunden oder drahtlos – exponentiell zu. Etwa 60% des Datenverkehrs in den Netzwerken werden dieses Jahr auf Videos entfallen. Der Anteil an mobilen Daten verdoppelt sich alle 15 Monate (Quelle: Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2016 - 2021).

Verarbeitung und Übertragung großer Datenmengen

Durch die Notwendigkeit zur Verarbeitung und Übertragung enormer Datenmengen nicht nur in Gebäuden und Fabrikhallen sondern auch in Autos und öffentlichen Verkehrsmitteln wurden viele technische Möglichkeiten bis an ihre Grenzen ausgereizt. Zudem hat die explosionsartige Zunahme der Datenmengen in drahtlosen Netzwerken die Entwicklung der 5G-Mobilfunk-Infrastruktur beschleunigt. Auch vorhandene Rechenzentren werden zunehmend ausgebaut.

Dieser Trend manifestiert sich in der Nachfrage nach schnellen Datenschnittstellen für Datenraten bis zu 100 GBit/s, Power-Management-Techniken und integrierte Funkeinheiten. Die häufig in Echtzeit erfolgende Datenauswertung ist in vielen Anwendungen entscheidend und hat zum Entstehen neuer Prozessorarchitekturen geführt. Darüber hinaus kommen selbstlernende Verfahren für Embedded-Prozessoren und GPUs mit speziellen Hardware-Funktionen für künstliche Intelligenz in zahlreichen neuen Anwendungen zum Einsatz.

Persönliche Elektronikgeräte und deren Schnittstellen

Das hohe Wachstumstempo im Bereich der persönlichen Elektronikgeräte treibt die Geräteentwicklungen mit zunehmenden Halbleiteranteil und Alleinstellungsmerkmalen voran. Außerdem werden viele auf diesem Gebiet erarbeiteten Innovationen schrittweise auch im Bereich Automotive und Industrie Einzug halten und dort für Verbesserungen sorgen.

Ergänzendes zum Thema
Neue Halbleiterwerkstoffe für Wandler

Die Wandlung von hohen Spannungen erfordert effiziente Leistungswandler. Hier kommen Halbleiter auf der Basis von GaN, SiC und schnellschaltendem Silizium ins Spiel. Diese Halbleiterwerkstoffe erzeugen weniger Verlustwärme, d.h., sie übertragen hohe Spannungen zwischen mehreren Quellen und wandeln effizienter.

Derartige Halbleiter bedingen komplexe Schaltkreisarchitekturen und Gehäusetechniken, die stark von den bisher gebräuchlichen abweichen und die Leistungsdichte etwa alle 5 bis 10 Jahre verdoppeln werden. Effizienzsteigerungen bei Batteriesystemen sind wichtig, da die Akkutechnik kaum mit dem Aufkommen neuer Funktionen mithalten kann. Verbesserungen sind auch essentiell für den Betrieb von Datenzentren. Hier werden diese Halbleiter die Effizienz durch die Verringerung von Abwärtsregelungen steigern. Gleiches gilt für Automotive-Anwendungen.

Neue Kommunikation Mensch-Maschine

Die den Menschen umgebenden Geräte sind heute leistungsfähiger und präsenter als je zuvor. Unsere Interaktionen mit Maschinen und Geräten werden dadurch zahlreicher und entwickeln sich weiter. Die Berührung – bisher die dominierende Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine – wird zunehmend durch natürliche Konzepte wie Sprachsteuerung, Sehen (Erkennen) und Gestensteuerung ersetzt. In der Praxis werden sprachbasierte Benutzerschnittstellen für viele Consumer- und Automotive-Anwendungen immer zuverlässiger und bezahlbarer.

Mit buchstäblich schwindelerregenden Effekten haben Virtual Reality und Augmented Reality ihren Einstand auf dem Unterhaltungssektor und im Gaming-Bereich gegeben. Doch inzwischen werden diese Techniken für viele professionelle Anwendungen wie beispielsweise die Flugsimulation weiterentwickelt. Flexible elektronische Schaltungen und Displays wiederum kommen in Mobil- und Medizintechnik-Anwendungen zum Einsatz.

* Ahmad Bahai ist Chief Technologist bei Texas Instruments in Dallas.

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