Green ICT – eine nachhaltige Informations- und Kommunikationstechnik

Herr Heuberger, der Digitalgipfel des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, der am 1. Dezember 2020 stattgefunden hat, stand unter dem Motto »Digital nachhaltiger leben«. In Ihrem Impulsvortrag zu Green ICT gaben Sie einen Einblick, welchen Beitrag die Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik leisten kann. Vor welchen Herausforderungen stehen wir denn heute – im Jahre 2021?

Prof. Dr. Albert Heuberger: Wir stehen aktuell vor der Herausforderung, dass der Energieverbrauch der Informations- und Kommunikationstechnik stetig steigt. Ich gebe Ihnen drei Beispiele: Erstens wächst das Volumen der Datenübertragung im Internet kontinuierlich. Die CO₂-Emissionen der Digitalbranche werden bereits als doppelt so hoch geschätzt wie die des gesamten Flugverkehrs. Zweitens erleben wir aktuell eine sich ausbreitende Vernetzung von Geräten durch das Internet of Things. Hier gehen Schätzungen davon aus, dass im Jahr 2023 mehrere Milliarden Peripheriegeräte mit Netzanbindung im Einsatz sein werden – das reicht von Smartwatches über vernetzte Kühlschränke bis hin natürlich zu vernetzten Produktionsanlagen. Und als drittes Beispiel sind digitale Dienste zu nennen, die sukzessive alle Lebens- und Arbeitsbereiche durchdringen werden.

Welchen Beitrag zur Lösung dieser Probleme kann die angewandte Forschung hier leisten?

Heuberger: Die Verarbeitung immer größer werdender Datenmengen erfordert nicht nur neue Rechnerstrukturen – hier sind wir bei Fraunhofer unter dem Stichwort »Next Generation Computing« dran – sondern auch Zero Power Solutions. Es gibt zudem die große Erwartung, dass wir durch IoT-Lösungen ein optimiertes Energiesystem realisieren können, um CO₂-Emissionen zu reduzieren. Bei Green ICT – also grüner Informations- und Kommunikationstechnologie – geht es aber auch um die Aspekte der Langlebigkeit sowie der ressourcen- und energieeffizienten Produktion und Nutzung der Elektronik.

Konkret arbeiten wir zum Beispiel an Edge AI-Lösungen, die dafür sorgen, dass wirklich nur die relevanten, nützlichen Daten in die Cloud gesendet und dort verarbeitet werden müssen. Ein weiteres, wichtiges Arbeitsfeld ist die Aufgabe, den Energieverbrauch bereits beim Entwurf mitzudenken und auf ein Minimum zu reduzieren, indem wir etwa elektronische Systeme entwickeln, die durch eine intelligente Stand-by-Funktion wirklich nur dann tätig werden, wenn sie konkret gebraucht werden.

Auf dem Digitalgipfel wurde die Forschung als Motor für nachhaltige Zukunftstechnologien bezeichnet. Welche Rolle spielt dabei die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland?

Heuberger: Die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) ist der größte Forschungsverbund für Anwendungen und Systeme der Mikro- und Nanoelektronik in Europa. Dort arbeiten über 2000 hochqualifizierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Instituten des Fraunhofer-Verbunds Mikroelektronik sowie dem Leibniz FBH und IHP zusammen. Mit dieser geballten Kompetenz dazu beizutragen, unsere Wirtschaft und Gesellschaft durch grüne Lösungen nachhaltiger aufzustellen, ist für uns eine enorm wichtige und hoch motivierende Aufgabe. Auf der Technologieplattform »Green ICT« bündeln, nutzen und erweitern wir die FMD-Kompetenzen diesbezüglich.

Aktuell ist die FMD im Innovationswettbewerb »Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik« mit zwei Beiträgen vertreten:

Erstens arbeiten im Projekt »SiC4DC« – das steht für Edge-Cloud-Energiemanagement für gleichstromversorgte Automatisierungssysteme mit SiC-basierter, also Siliziumcarbid basierter Leistungselektronik – das Fraunhofer IISB in Kooperation mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg daran, automatisierte Produktionssysteme energetisch zu optimieren, um den Energiebedarf und die CO₂-Emission des Gesamtsystems zu reduzieren. Im zweiten Projekt, »EdgeLimit« genannt, arbeiten die Fraunhofer-Institute IAF und IIS zusammen mit der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg daran, die Leistungseffizienz der Edge-Cloud zu verbessern.

Im letzteren Projekt ist das Fraunhofer IIS beteiligt, dem Sie als geschäftsführender Institutsleiter vorstehen. Was plant das Fraunhofer IIS denn darüber hinaus auf dem Gebiet der Green ICT?

Heuberger: Auf Grund unserer breiten Forschungstätigkeit stehen wir hier unseren Partnern jetzt schon umfassend zur Seite: Von der Evaluierung und Beratung bis hin zu Lösungen auf dem Gebiet der Neuromorphen Hardware oder Algorithmen für Edge-Anwendungen. Konkret sind wir auf diesen Gebieten aktiv:

Durch Energy-Harvesting-Lösungen und intelligente Stand-by-Funktionen schaffen wir Lösungen, die das Powermanagement von Leistungselektronikkomponenten optimieren und damit deren CO₂-Verbrauch verringern.

Wir tragen dazu bei, zentrale Serverfarmen, die einen enormen CO₂-Fußabdruck haben, zu reduzieren, indem wir für eine intelligente Datenverarbeitung innerhalb von Systemen sorgen. Wichtig ist hier für Wirtschaft und Gesellschaft auch, Datenclouds und Serverfarmen zu regionalisieren, damit Daten nicht ständig in andere Länder oder gar auf andere Kontinente gesendet werden.

Drittens sind wir dran, Künstliche Intelligenz, deren ganzes Problemlösungs- und Innovationspotential wir nutzen, so grün wie möglich zu gestalten. Dafür entwickeln wir zum einen Hardwareplattformen, die auf KI-Prozesse hin optimiert sind, wie etwa Neuromorphe Hardware, und so deutlich sparsamer arbeiten. Zum anderen arbeiten wir an Algorithmen, die auf Dateneffizienz und Datenrecycling ausgelegt sind.

Des Weiteren nutzen wir unser ganzes Know-how auf dem Gebiet der Funkstandards und deren Anwendungen und leisten unseren Beitrag, etwa im Rahmen von Standardisierungsprozessen, dass diesen Standards das Thema Daten- und damit Energieeffizienz eingeschrieben ist.

Abschließend unterstützen wir durch unsere Testbeds, Simulationstools und Messkonzepte Unternehmen darin, ihren CO₂-Fußabdruck in der Datenverarbeitung zu erfassen und zu reduzieren. Dabei können wir die ganze Kette in den Blick nehmen – von der Datenaufnahme durch Sensoren bis hin zu Informationsausgabe – und erläutern, welche Auswirkung eine Anpassung an einer spezifischen Stelle für den CO₂-Ausstoß des gesamten Systems haben wird.

Doch das ist erst der Anfang. Dem ganzen Themenkomplex der Green ICT werden wir uns in den kommenden Monaten weiterhin intensiv widmen – sei es auf Institutsebene, im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland oder durch Kooperationen im europäischen Kontext.