Was kommt nach der Smartphone-Ära?

| Autor / Redakteur: Jan Rabaey * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Das Smartphone ist kein perfektes Gerät: Das Mikrofon ist nicht nahe am Mund, sondern in der Nähe des Kiefers. Das Funksignal der Antenne leidet unter Interferenzen. Um das Smartphone richtig zu nutzen, muss man es vom Ohr wegnehmen so dass man nicht gleichzeitig eine Konversation führen kann, etc. Deshalb ist es naheliegend, das Smartphone in Zukunft in seine funktionalen Bestandteile zu zerlegen.
Das Smartphone ist kein perfektes Gerät: Das Mikrofon ist nicht nahe am Mund, sondern in der Nähe des Kiefers. Das Funksignal der Antenne leidet unter Interferenzen. Um das Smartphone richtig zu nutzen, muss man es vom Ohr wegnehmen so dass man nicht gleichzeitig eine Konversation führen kann, etc. Deshalb ist es naheliegend, das Smartphone in Zukunft in seine funktionalen Bestandteile zu zerlegen. (Bild: gemeinfrei / Анастасия Гепп / Pixabay / CC0)

Bis weit in die neunziger Jahre hinein waren viele Menschen davon überzeugt, dass die Mobiltelefonie purer Unsinn sei. Das zeigt, wie schlecht wir bei der Vorhersage unserer zukünftigen Bedürfnisse sind. Trotzdem wagen wir hier einen Vorausblick auf die Ära nach dem Smartphone.

Jeder, der versucht, zukunftsorientierte Prognosen über die Rolle der IT in der Gesellschaft zu formulieren, sollte diese auf der flächendeckenden Nutzung der Technologie aufbauen. Man vergegenwärtige sich nur die heutige Fülle an Sensoren und Kameras, die in neuen Automobilen integriert sind. Dabei ist das nur ein kleiner Vorgeschmack darauf, wie unsere gesamte Umgebung bald rundum mit Sensoren und Aktuatoren ausstaffiert sein wird. Und wir, als menschliche Wesen, werden in steigendem Maße mit ihnen vernetzt sein. Die Ära der Smartphones hat eine große Zahl von Veränderungen mit sich gebracht – Veränderungen, die nicht rückgängig gemacht werden können.

Doch so ein typisches Smartphone ist weit davon entfernt, ein optimales Gerät zu sein. Das Mikrofon ist nicht nahe am Mund, sondern in der Nähe des Kiefers. Das Funksignal der Antenne leidet unter Interferenzen mit dem Schädel und positioniert eine Strahlungsquelle in der Nähe unseres Gehirns. Um unser Smartphone richtig zu nutzen, müssen wir es vom Ohr entfernen, aber dann können wir nicht gleichzeitig eine Konversation führen. Es ist nicht überraschend, dass viele Leute ihr Smartphone nicht mehr am Ohr halten, sondern vor dem Gesicht und den Anrufer per Lautsprecher zuhören.

Es ist daher nicht undenkbar, dass das Smartphone in Zukunft in seine einzelnen funktionalen Bestandteile zerlegt wird. Heute ist ein vollständiges Kommunikationsgerät, doch seine Funktionen könnten zunehmend aufgeteilt werden: in eine Smartwatch als Teil des Nutzer-Interface, In-Ohr-Hörer für den Ton, das Mikrofone als Krone über einem Zahn, eine Brille oder Kontaktlinsen für Bilder und Video und die Antenne eingewoben in den Stoff der Jacke oder des Rucksacks. Wie in einer gut orchestrierten Symphonie wirken diese individuellen Funktionsteile zusammen, um ein optimales Benutzererlebnis zu bieten (Bild 1).

Und diese Zerlegung in die funktionalen Bestandteile betrifft nicht nur die am Körper getragenen Datengeräte. Wir werden auch Geräte anderer Menschen und in der Nähe vorhandener Objekte in den Datenaustausch einbeziehen, je nach den Gegebenheiten spezifischer Applikationen. Zu geringe Computerleistung für Hi-Res-Streaming? Der Prozessor der in der U-Bahn neben uns stehenden Person hebt seinen Pegel um eine Stufe an, um uns zu helfen. Schlechte Verbindung bei einem Ferngespräch? Die Antenne auf einem nahe gelegenen Gebäude fängt die globalen Daten aus der Cloud auf und sendet sie uns über ein lokales Netz.

Der Dirigent dieses Orchesters ist ein Motor mit Künstlicher Intelligenz, die unsere musikalischen Vorlieben erlernt hat und diese in Bezug auf unsere jeweilige Umgebung interpretieren kann. Mit der Möglichkeit, sie zu überstimmen, falls man anderer Ansicht ist.

Es ist offensichtlich, dass dieses Szenario – wenn es eintrifft – einen dramatischen Einfluss auf unser tägliches Leben haben wird. Weniger bekannt sind die radikalen Veränderungen im Hintergrund der Technologie-Szene.

Eine neue Ära für Ingenieure und Entwickler

Damit betreten wir eine Welt, die dem durchschnittlichen Smartphone-Nutzer gänzlich unbekannt ist: die der Chip-Technologien und des System-Designs. Bevor wir uns näher mit den Implikationen dieses Szenarios in diesem Bereich befassen, machen wir einen Schritt zurück in die Vergangenheit.

Historisch betrachtet lässt sich die Entwicklung der Halbleitertechnologie durch die Gesetze von Moore und Dennard definieren. Sie ist entlang einer gut vorhersagbaren Roadmap verlaufen, die auf der Skalierung von Transistoren und dem auf ihr beruhenden Zuwachs an Computerleistung pro Chip basiert. An einem gewissen Punkt ist dieser historische Verlauf allerdings auf gewisse systemische Hindernisse gestoßen. Die wichtigsten unter ihnen sind die pro Funktion benötigte Energie, die nicht entsprechend der Verkleinerung der Transistoren skaliert, sowie die Begrenzung der beim Betrieb entstehenden Wärme pro Flächeneinheit, die abgeleitet werden muss. Das Resultat ist, dass die Gerätebatterien schneller leer sind. Oder unakzeptablen hohe Temperaturen, die in den mobilen und stationären Elektronikgeräten entstehen.

Um die letzte Jahrhundertwende mussten wir deshalb die universelle Roadmap der Single-Chip-Technologie in mehrere spezifisch getrennte Roadmaps, für Speicher und Logik, diversifizieren – oder für Low-Power- und High-Performance-Bausteine (Bild 2). Was bedeutet, dass die Entwickler im Low-Power-Segment passende Technologien und Materialien mit kleinen Leckströmen auswählen mussten, während diejenigen, die auf hohe Leistungen abzielten, auf Parameter wie Kompatibilität mit hohen Spannungen oder extremen Temperaturen fokussierten.

Als Ergebnis wurden die Chips, Speicher und andere IT-Bausteine immer stärker spezialisiert. Neben dem „General-Purpose-Prozessor“ auf der einen Seite des Spektrums, der für beinahe alle Anwendungen programmierbar war, werden seit geraumer Zeit dedizierte Prozessoren entwickelt. So haben Chips, die für die Bildverarbeitung optimiert sind, eine um das Tausendfache effizientere Energiebilanz. Das passt natürlich sehr gut zu unserer Zukunftsvision des funktional zerlegten Smartphones, wobei jedem Baustein ein hoch spezialisierter Aufgabenbereich zugewiesen wird.

Gleichzeitig ändern sich auch einige der Grundlagen des Computing. Im ursprünglichen Paradigma, begründet von Forschern wie Turing und von Neumann, war Computing ein Synonym für „Processing“ (Verarbeitung und Berechnung) und wurde mit sequentiellen Algorithmen durchgeführt. Sehr vereinfacht ausgedrückt war ein Computer eine Maschine, in die man eine Zahl eingab und damit anhand eines vordefinierten Satzes von Formeln sehr effizient eine neue Zahl berechnen konnte. Heute ist Computing nicht mehr nur eine Sache von Berechnungen. Sondern eher von Interaktionen.

Dabei stehen nicht mehr die Algorithmen, sondern die Daten im Vordergrund. In anderen Worten, ein Computer ist nicht länger etwas in das man eine Zahl eingibt, sondern ein komplexes System mit vielfältigen Möglichkeiten zur Ein- und Ausgabe. Seine Intelligenz baut nicht mehr auf einer Reihe von linearen Formeln auf, sondern auf einem selbstlernenden System, dass – optimiert durch Interaktion mit der Umwelt – seinen Output mit Blick auf die gewünschte Erfahrung generiert.

Diese fortlaufende Evolution macht es umso schwieriger, Halbleiter-Roadmaps zu definieren und abzuschätzen, was ein nützlicher und kosteneffizienter nächster Schritt der Technologie-Entwicklung sein könnte. Deswegen wird eine gründliche Kollaboration zwischen der System- und Technologie-Entwicklung immer wichtiger. Und es muss von der frühesten Stufe der Entwicklung an klar sein, auf welche Applikation eine bestimmte Technologie zielen soll: IoT, Cloud, Self Learning…

„Treffen wir uns in der Mitte“, so hat es der Imec Fellow Hugo De Man es vor etlichen Dekaden ausgedrückt. Das Konzept ist sicherlich nicht neu, aber es gewinnt zunehmend an Relevanz. Für Organisationen wie Imec und die Halbleiterindustrie generell ist die Erfassung und Umsetzung einer solchen Methodologie eine ständige Herausforderung, die auf die gesamte interne Organisation einwirkt. Teams, die bislang separat operiert haben, müssen plötzlich eng zusammenarbeiten. Und ein Team, das auf einen ganzen Technologiebereich ausgerichtet war, muss sich jetzt aufteilen und sich zunehmend spezialisieren.

Ergänzendes zum Thema
 
Was ist Imecs Beitrag zu dieser Zukunftsvision?

Werden wir alle zu Ingenieuren?

Diese ganze Entwicklung könnte Gelegenheiten für jeden von uns bieten. Denn das relativ fortschrittliche Technologie-Wissen wird zunehmend demokratisiert.

Betrachten wir als Beispiel Fotografie und Video. Fortschrittliche Kameras, Bildbearbeitungs-Software und Online-Vertriebskanäle sind heute auf jedem Smartphone zu finden. Früher war es noch sehr aufwendig, Heim-Videos und Fotos zu machen. Jetzt experimentieren kleinere Gruppen von Technologie-Enthusiasten bereits mit Sensoren, 3D-Druckern und allen Arten von DIY-Technologie und -Software. Alles Dinge, die bis vor kurzem knapp und teuer waren, aber jetzt per Open Source und Online-Plattformen leicht zugänglich sind. Eine noch kleinere Gruppe von Tech-Fanatikern erkundet sogar schon die Möglichkeiten der Blockchain und anderer aufkommender Trends (Bild 3).

Das Ganze funktioniert wie eine umgekehrte Pyramide: An der Spitze sitzt eine große Anzahl von Nutzern, die einen gewissen Zugang zur Technologie mitbringen. Weiter nach unten wird die Gruppe der Menschen kleiner und die Technologie, zu der sie einen Zugang haben, komplexer. Doch mit der Demokratisierung der Technologie ändert sich auch die Toolbox dessen, was auf jeder Ebene der Pyramide verfügbar ist. Daraus lässt sich eine Vorhersage ableiten: Wer sich heute mit digitalen Videos und Fotos beschäftigt, wird bald auch die DIY-Elektronik und 3D-Drucker für sich entdecken. Und die Technologie-Enthusiasten, die derzeit die 3D-Drucktechnik erforschen und Augmented- und Virtual-Reality-Systeme programmieren, werden dann an weiter fortgeschrittenen und höher integrierten Applikationen und Systemen arbeiten. In anderen Worten: Um 2035 werden wir alle so etwas wie Ingenieure sein.

Und die echten, professionellen Ingenieure? Sie finden sich weiterhin auf allen Ebenen der Pyramide, um sie mit ihrem Wissen und ihrer Erfahrung zu versorgen. Sie helfen Nutzern bei der Implementierung bewährter Technologien, und sie entwickeln neue Bausteine für aufkommende Technologien und Applikationen – mit Bausteinen, die zunehmend zu einem Hybrid der biologischen und elektronischen Welt werden. Denn das ist eine der spannendsten Entwicklungen in diesem Feld.

In Bezug auf Logik und Rechenfähigkeit hat die Natur noch einige Tricks parat, von denen wir als Ingenieure und Techniker nur träumen können. Man denke an die Kraft des menschlichen und tierischen Gehirns, das Ausmaß der Kooperation in einem Vogelschwarm oder einer Ameisenkolonie, an die Kommunikation der Wale oder Delphine.

Nichts davon lässt sich allein durch Elektronik oder Physik realisieren. Diese Welt, und der gesamte Bereich der mit ihr verbundenen Möglichkeiten, wird sich uns nur öffnen, wenn wir in der Lage sind, chemische Signale und deren Signalaustausch in unsere technologischen Bausteine und Systeme zu integrieren. Genug Arbeit für mindestens 35 weitere Jahre.

Dieser Artikel ist Teil einer Spezialausgabe des Imec Magazins zum 35-Jährigen Bestehens von Imec. Zum Original-Artikel kommen Sie hier.

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* Jan Rabaey ist “Donald O. Pederson Distinguished Professor” an der University of California in Berkeley.

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