Ausgerüstet mit Sensoren, Prozessoren und Kommunikationsmodulen werden Maschinen, Anlagen und Werkstücke smart. Sie erfassen Prozesse der physikalischen Welt, verbinden sie mit der virtuellen Welt des Internets und bilden so die Basis der Industrie 4.0.
Moderne elektronische und mikroelektronische Bauelemente und Systeme sind eine wichtige Voraussetzung für Industrie 4.0. Schon heute werden im Rahmen der Automatisierung etwa 90 Prozent aller industriellen Produktionsprozesse durch Informations- und Kommunikationstechnik unterstützt. Doch im Zuge von Industrie 4.0 setzt sich die Durchdringung der Fertigungstechnik weiter fort: Mikroelektronische Systeme werden in immer mehr Maschinen, Robotern, Betriebsmitteln oder Werkstücken implementiert. Je nach Einsatzzweck sind sie mit Sensoren, Mikrocontrollern und Leistungselektronik ausgestattet, die gewissermaßen Sinne, Gehirn und Muskeln der intelligenten Systeme bilden. Stattet man diese Systeme zusätzlich mit drahtlosen Kommunikationsschnittstellen und einer eindeutigen Identifizierung aus, können sie sich mit anderen Systemen in der Wertschöpfungskette vernetzen – die Grundlage für Cyber-Physical Systems (CPS).
Hohe Anforderungen an Halbleiter
Für den Einsatz im industriellen Umfeld müssen die elektronischen Bausteine allerdings verschiedene Voraussetzungen erfüllen: Entscheidend sind Eigenschaften wie Robustheit, Gewicht, Volumen und vor allem der Preis. Die Mikrochips, die in diesen Systemen verbaut werden, müssen möglichst klein und kostengünstig sein – bei hoher Leistungsfähigkeit –, damit sie in der benötigten hohen Anzahl in der Wertschöpfungskette implementiert werden können.
Die Entwicklung der entsprechenden Halbleiter ist in den letzten Jahren stark vom sogenannten „Moore’schen Gesetz“ geleitet worden, nachdem sich die Leistung eines Halbleiter-Chips innerhalb von zwei Jahren verdoppelt hat. Diese permanente – „More Moore“ genannte – Leistungssteigerung führt letztendlich zu immer kleineren mikroelektronischen Bauteilen. Einen anderen Weg geht das „More than Moore“-Konzept, das von immer mehr Halbleiterherstellern verfolgt wird: Es integriert in eine vorhandene Baugröße immer mehr Funktionen. Prozessoren werden also zum Beispiel um Funktionalitäten wie analoge und passive Bauelemente, Sensoren oder Biochips ergänzt. Die Entwicklung solcher kundenorientierten Lösungen für spezifische Anwenderbranchen erlaubt die Verwendung von älteren mikroelektronischen Bauelementen und Prozesstechnologien. Dadurch ist der Investitionsbedarf in diesem Bereich deutlich geringer.
Preiswerter, effizienter, leistungsstärker
Derartige Chips bieten neben einer verbesserten Performance und Zuverlässigkeit auch gleichzeitig eine höheren Energieeffizienz und geringere Fertigungskosten – wichtige Voraussetzung für die breite Anwendung in der vernetzten Fabrik und damit für den Erfolg von Industrie 4.0. Denn nur wenn es gelingt, die Fabriken der Zukunft in hohem Maße mit CPS – basierend auf moderner Mikroelektronik – auszurüsten beziehungsweise umzurüsten, werden die im Zusammenhang mit Industrie 4.0 erwarteten Effizienz- und Ressourcengewinne realisierbar.
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