Kommunikationssysteme

Wer sich mit technologischen Entwicklungen rund um Künstliche Intelligenz (KI) befasst, begegnet zwangsläufig Spiking Neural Networks (SNNs) – dem nächsten Schritt in Richtung energiesparender Echtzeit-KI. Der Unterschied zu bisherigen neuronalen Netzen: Während einfache künstliche Neuronen kontinuierlich Werte ausgeben, feuern SNN-Neuronen erst beim Überschreiten kritischer Schwellenwerte. Dabei senden sie elektrische Impulse, sogenannte Spikes, durchs Netz. Diese ereignisgetriebene Arbeitsweise spart sowohl Energie als auch Rechenzeit und stellt für bestimmte Anwendungen eine lohnenswerte Option dar. Doch kaum ein Unternehmen will seine aufwendig trainierten Deep Neural Networks (DNNs) verwerfen und bei null anfangen. Insofern drängt sich die Frage auf: Wie lässt sich das bewährte Wissen aus DNNs in SNNs überführen? Genau hier knüpft die aktuelle Forschung an.

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Funktechnologien können Produktionshallen effizienter und dynamischer machen. Doch die Herausforderung ist enorm: Alle Daten müssen dafür zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort landen. Kann Time-Sensitive Networking den Durchbruch bringen? 

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Ein Problem vieler KI-Netze: Sie sind gut – richtig gut – und dabei manchmal etwas groß und übergenau. In der Konsequenz fließen viel Energie, Arbeitsspeicher und Rechenzeit in komplexe Berechnungen, obwohl einfachere Modelle die gestellte Aufgabe effizienter lösen könnten. Doch wie wird aus einem übermäßig komplizierten neuronalen Netz eine kompakte Künstliche Intelligenz (KI), die auch auf kleinen Geräten zuverlässig läuft – zum Beispiel in einem Stirnband zur Schlafüberwachung? Hier kommt Neural Architecture Search ins Spiel.

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Der Energieverbrauch der 5G- und 6G-Netze könnte in Zukunft dramatisch ansteigen. Am Fraunhofer IIS erforscht deshalb ein Team, wie sich der Mobilfunk mit einem eigenen Schlafrhythmus ausstatten lässt. Network Energy Savings nennt sich das. Was steckt dahinter?

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Satelliten sind die Shootingstars im 5G-Universum. Der Grund: Durch ihre enorme geografische Abdeckung bergen sie das Potenzial, 5G und zukünftig 6G in alle Winkel der Erde zu bringen und damit die weltweite Konnektivität zu ermöglichen. Wir am Fraunhofer IIS arbeiten an einer verbesserten Satellitenabdeckung, an Mobilfunkbasisstationen auf Satelliten und an Handover-Verfahren, damit unsere Smartphones in Zukunft nahtlos über Satelliten kommunizieren können.

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15 Jahre lang haben Rainer Wansch und sein Team an der Idee eines On-Board-Prozessors geforscht, der in einem Satelliten um den Globus kreist und sich von der Erde aus ansteuern lässt. Jetzt ist der FOBP im Weltall angekommen. Eine Geschichte über Geduld und Beharrlichkeit.

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Noch stecken Quantencomputer in den Kinderschuhen: Viele offene Fragen sind zu klären. Wie beispielsweise teilt man den kleinen Recheneinheiten – Quantenbits oder Qubits genannt – mit, was sie tun sollen? Wie liest man ihre Ergebnisse aus? Die nötige Elektronik für dieses Ansteuern und Auslesen der Quantenbits entwickeln Forschende des Fraunhofer IIS. So arbeiten sie im Projekt SHARE daran, künftig hunderte Qubits mit einem einzigen Breitbandkabel ansteuern zu können. Bisher sind für jedes Qubit vier Kabel nötig. Ein weiterer Teil des Projekts SHARE liegt in der Abschirmung von Qubits, die auf neutralen Atomen basieren.

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Dr. Elke Roth-Mandutz setzt Kreativität und Erfahrung in der Standardisierung ein, um den Mobilfunkstandard sicherer und energiesparender zu machen.

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Das Leistungszentrum InSignA in Ilmenau hat das Ziel, lokal Synergieeffekte in der Forschung zu nutzen und kleine und mittlere Unternehmen (KMU) bei der Digitalisierung und in weiteren Pro-jekten zu unterstützen. Jörg Robert, stellvertretender Abteilungsleiter der Abteilung Elektronische Messtechnik und Signalverarbeitung EMS und Professor an der TU Ilmenau erklärt: »Erfolgreicher Transfer und die Verwertung von Forschung und Technologien der Fraunhofer-Gesellschaft zum Nutzen der Wirtschaft und der Gesellschaft sind Bestandteile unserer Mission als Forschungsgesellschaft. Leistungszentren sind regional ausgerichtete Innovationsinkubatoren.«

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Vor 19 Jahren gründeten das Fraunhofer IIS und der Lehrstuhl für Informationstechnik (LIKE) ein digitales Campusradio. Im Forschungsprojekt sollten technische Neuerungen und digitale Rundfunksysteme erprobt und zusammen mit Studierenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) innovative, inhaltliche Konzepte entwickelt werden. Dem Stadium eines Forschungsprojektes ist das Campusradio inzwischen längst entwachsen. 2021 zog das Rundfunkstudio vom Erlanger E-Werk in das »blaue Haus« am Europakanal in Erlangen um. Anlässlich dieses Umzugs blicken wir zurück auf 19 Jahre einer fruchtbaren Zusammenarbeit.

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Dr. Marco Breiling (51) möchte die Zukunft Deutschlands mitgestalten. Der Elektroingenieur aus Erlangen sorgt für erfolgreiche High-Tech-Produkte »made in Germany«. Inspiriert von der Energieeffizienz eines Bienenhirns entwickelt sein Team schlaue Mikrochips, die sehr große Datenmengen energiesparend verarbeiten. Diese Leistung überzeugte auch die Jury des Pilotinnovationswettbewerbs »Energieeffizientes KI-System« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Hier gibt Marco Breiling spannende Einblicke in sein Forschungsgebiet. 

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SEC-Learn (Sensor Edge Cloud für verteiltes Lernen) ist ein Projekt von elf Fraunhofer-Instituten, das einen großen Technologiesprung im Bereich der neuromorphen Hardware verspricht: Erstmals wird ein Chip für die Beschleunigung von Spiking Neural Networks (SNN) in Verbindung mit dem sogenannten Federated Learning entwickelt. Das bringt in der Praxis Vorteile für Unternehmen und Privatpersonen.

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»Flaschenhälse« sind nicht sonderlich beliebt – bringen sie mit ihrer Enge doch ganze Prozesse ins Stocken. Auch die Künstliche Intelligenz hat mit einem solchen Flaschenhals zu kämpfen. Genauer gesagt: Die Künstliche Intelligenz lässt sich auf herkömmlichen Computern nicht beliebig »verschnellern«, die Hardware braucht Zeit zum »Denken«. Wie wir dieses Problem lösen, lesen Sie hier.

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Rechnerarchitekturen, vom menschlichen Gehirn inspiriert – das klingt arg theoretisch und fern vom Alltag der meisten Menschen. Doch weit gefehlt: Die neuromorphe Hardware, die ein Forscherteam des Fraunhofer IIS und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg FAU entwickelt hat, kann Vorhofflimmern frühzeitig erkennen und das Risiko für Schlaganfälle erheblich senken. Und hat damit eine ganz praktische und alltagsnahe Anwendung.

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Intelligenz in die Endgeräte zu bringen, das ist beim autonomen Fahren elementar. Schließlich bleibt im Verkehr keine Zeit, Sensordaten zunächst an eine Cloud zu schicken und dort intelligent auswerten zu lassen. Stattdessen sind schnelle Reaktionen gefragt. Forschende entwickeln im Projekt KI-FLEX neuromorphe Hardware, die die Integration der KI ins Auto erlaubt – in Form einer entsprechenden Plattform: Sie erlaubt, Künstliche Intelligenz flexibel direkt in die Fahrzeuge zu integrieren. Projektkoordinator Michael Rothe vom Fraunhofer IIS gibt Einblicke.

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Rasenmäh-Roboter sind nur begrenzt »schlau«: Bislang brauchen sie nach wie vor ein Begrenzungskabel, um nicht doch versehentlich den Rasen des Nachbargrundstücks mit einzukürzen. Mit Edge AI soll es möglich werden, Rasenmäher, Sensoren oder andere Endgeräte mit Künstlicher Intelligenz zu versehen – und zwar ohne die ermittelten Daten für die Intelligenz-Leistung an eine Cloud schicken zu müssen. Vielmehr sitzt die »Schlauheit« im Endgerät selbst. Dies kann jedoch in vielen Fällen nur mit äußerst energieeffizienten Spezial-Chips funktionieren, leistungsfähige Mikrocontroller-Chips sind oft ungeeignet: Sie verbrauchen zu viel Energie.

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Analog oder digital – diese beiden Begriffe sind den meisten Menschen gut bekannt. Dass es in punkto Künstlicher Intelligenz noch etwas »dazwischen« gibt, ist dagegen Expertenwissen. Dieses »Dazwischen« nennt sich »Spiking Neural Networks«. Ein Hoffnungsträger ist der Ansatz vor allem bei der Frage, wie sich die »Schlauheit« direkt in Endgeräte integrieren lässt. Der Kognitionswissenschaftler Johannes Leugering erläutert, was dahintersteckt.

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Edge AI soll die künstliche Intelligenz dorthin verlagern, wo sie gebraucht wird: In die Endgeräte. Dafür dürfen die Berechnungen jedoch nicht zu viel Energie verschlingen. In den ECSEL Projekten ANDANTE und TEMPO bringen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IIS diese Zukunftstechnologie voran – mit der Entwicklung entsprechender Chips, Algorithmen und Tools.

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Manche Dinge kann man nur Hand in Hand bewältigen: So auch die Entwicklung von Chips, Algorithmen und Hardware, um künstliche Intelligenz direkt in die Endgeräte zu integrieren. Man spricht dabei auch von »Edge AI«  Warum ihre Zusammenarbeit auf dem Gebiet Egde AI so fruchtbar ist und inwiefern auch die Internationalität Vorteile bringt, erläutern Marco Breiling, Chief Scientist im Forschungsbereich Kommunikationssysteme am Fraunhofer IIS, und Dr. Loreto Mateu, Gruppenleiterin im Forschungsbereich Smart Sensing and Electronics des Fraunhofer IIS.

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Obwohl 5G die Kapazität der Mobilfunknetze enorm verbessert, ist bei der Mobilfunkkommunikation immer noch Luft nach oben. Wer an die Zukunft denkt, arbeitet deswegen schon am Standard 6G. Einer seiner größten Vorteile: die Integration von KI – damit kann das Netz flexibel an unterschiedliche Bedürfnisse angepasst werden. Bernhard Niemann erklärt im Interview, warum das Fraunhofer IIS an 6G forscht, wie der Zukunftsstandard nutzen wird und welche technischen Herausforderungen die Forscher meistern müssen.

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Satelliten ermöglichen die Übermittlung von Daten rund um den Globus. Sie sammeln Daten für das Internet of Things (IoT) weltweit ein und leiten sie an gut vernetzte Bodenstationen weiter – von dort aus gelangen sie schließlich zum Anwender. Damit das noch einfacher wird, entwickeln wir effiziente Übertragungsverfahren für IoT-Sender, die von jedem Punkt der Erde aus direkt zum Satelliten funken.

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Prof. Albert Heuberger, Institutsleiter des Fraunhofer IIS, erläutert, welche Rolle die Forschung bei der Entwicklung und beim Einsatz von 5G spielt und wie Anwender davon profitieren können.

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5G ist mehr als Mobilfunk, weil der Standard neben schnellem Internet auch neue Industrie- und Mobilitätsanwendungen ermöglicht.

Die Technologieentwicklung für 5G umfasst das Konzipieren von Bertragungslösungen, die Prototypenerstellung und das Testen.

Nach Veröffentlichung des Standards müssen die Anwendungen erprobt werden. Dafür sind spezielle Testeinrichtungen erforderlich.

5G and Beyond