Towards zero power: Effiziente IoT-Hardware und -Systeme

Im Fraunhofer-Leitprojekt »ZePoWel« wird sparsame und modulare Hardware als Basis für ein flächendeckendes Internet of Things (IoT) entwickelt. Das Fraunhofer IAF leitet im Projekt das Cluster »Kommunikation«. Ziel ist es, einen möglichst niedrigen Energieverbrauch auf dem Funkmodem zu realisieren. Forscher des Fraunhofer IAF entwickeln daher besonders energieeffiziente, monolithisch integrierte Schaltungen (MMICs) aus Galliumnitrid auf Silizium-Substraten (GaN-auf-Si). Eingesetzt werden kann diese Technologie für den Millimeterwellen-Frequenzbereich, beispielsweise bei 56 – 63 GHz. Ziel sind Verstärker mit mehr als 20 dBm Ausgangsleistung bei einer PAE von mindestens >30%.

Die Zukunft ist vernetzt: Im Internet der Dinge (IoT) kommunizieren Elektronische Geräte und Maschinen miteinander, erledigen komplexe Arbeitsabläufe und bearbeiten Wartungsaufgaben in Eigenregie. Um diese Vision umzusetzen, werden immer mehr Geräte und Maschinen in Netzwerken zusammengeschlossen und an das Internet angebunden. Eine riesige Menge an Schnittstellen, so genannte Knoten, ist notwendig, um die Kommunikation der Geräte untereinander aufzubauen. Das Problem: Diese Knoten verbrauchen Unmengen an Energie. 2013 entsprach der Energiebedarf von allen vernetzen Geräten weltweit gemäß einer Studie der International Energy Agency dem Gesamtbedarf an elektrischer Energie in Deutschland. Innerhalb der nächsten Jahre wird dieser Bedarf voraussichtlich noch weiter steigen.

Sensoren steuern die Knoten und liefern dabei wichtige Daten der einzelnen Geräte des IoT. In Zukunft sollen sie energieeffizienter werden. Mit dem Leitprojekt »ZePoWel« wollen zehn Fraunhofer-Institute diese Ziele gemeinsam angehen: Eine Hardwarelösung, die sowohl ganzheitlich als auch extrem effizient arbeiten kann, wird entwickelt. Zum einen sollen die Knoten selbst deutlich weniger Energie verbrauchen, zum anderen soll die Kommunikation mit anderen Systemen energiesparsamer werden. Am Fraunhofer IAF arbeiten Experten an der Entwicklung von Radio-Transceivern für IoT-Knoten. Dabei stehen sowohl die Technologienentwicklung als auch der Entwurf integrierter Schaltungen und die Integration der Benutzerschnittstellen für Funkverbindungen im Fokus.

In Zukunft sollen die vernetzten Sensoren komplett energieautark arbeiten können. Vorstellbar ist dabei auch ein Modul für viele Anwendungen. Geplant ist in diesem Zusammenhang, die Einzelinnovationen aller beteiligten Institute auf einer gemeinsamen Plattform bereitzustellen und so eine Art »Baukastenprinzip« an kombinierbaren IoT-Anwendungen zu schaffen.