Forschungsthemen

Ein nicht-flüchtiger, schneller und haltbarer Speicher ist wohl der Traum eines jeden Speicherherstellers. Und nicht nur das: Wie oft vergehen in der Küche wertvolle Sekunden, bis die Kaffeemaschine morgens endlich gebootet hat? Wäre es nicht gut, wenn das Gerät ohne lange Wartezeit mit seiner wichtigen Arbeit beginnen könnte?

Dafür werden ganz neue Speicherbausteine benötigt, und Memristoren können diese Aufgabe erfüllen. Durch Anlegen von Spannungspulsen verändert sich ihr Widerstandswert, und dieser kann zur Speicherung von Informationen verwendet werden. Da die Prozesse im Inneren der von uns verwendeten Y2O3 -Memristoren sehr schnell ablaufen, arbeiten wir an Möglichkeiten, um das Bauteilverhalten auch bei hohen Frequenzen zu bestimmen. Dazu haben wir ein Messsystem entwickelt, welches eine genaue Messung der Strom- und Spannungskurven an den Bauteilen zulässt – mit einer zeitlichen Auflösung von nur einer Nanosekunde. Dabei hilft uns ein genaues mathematisches Modell unseres Testaufbaus.

Mit dem Wissen, das wir dadurch über diese neuen Bausteine gewinnen, lassen sich zukünftig vielleicht die Probleme unserer heutigen Speichertechnologie überwinden – bestenfalls tatsächlich mit großen Auswirkungen auf unseren Alltag.

Für viele Anwendungen in der Wirtschaft, Industrie und Wissenschaft müssen Optimierungsprobleme gelöst werden. Beispiele sind das Erstellen von Flugplänen bei Airlines, Prozessplanung in Fabriken oder das Erforschen von neuen Molekülstrukturen. Leider steigt die benötigte Rechenleistung mit wachsender Problemgröße oft exponentiell, d.h. in der Praxis explodiert die benötigte Laufzeit, um ein Problem zu lösen. Deshalb sind leistungsfähigere und effizientere Methoden gefragt als klassische Prozessoren leisten können.

Wir forschen an sogenannten Oszillator-basierten Ising Maschinen, welche rein auf das Lösen von Optimierungsproblemen in der Ising Form spezialisiert sind. Anstatt Optimierungsprobleme ressourcenaufwendig mit Algorithmen zu lösen, die mit Billionen von Transistoren ausgeführt werden, wollen wir die physikalischen Eigenschaften der Strukturen direkt zur Berechnung ausnutzen. Dafür erforschen wir spezielle, einstellbare Systeme aus gekoppelten Oszillatoren, die aufgrund gegenseitiger Synchronisation eine natürliche Tendenz haben, einen Grundzustand zu erreichen. Im Rahmen dieser Forschung haben wir bereits zwei ASICs erfolgreich entwickelt und im Labor getestet, welche mehr als tausend Oszillatoren auf wenigen Quadratmillimetern verfügen.

Im Rahmen des DFG-Projektes SiSmaK als Teil des Schwerpunktprogramms 2305 beschäftigen wir uns in Kooperation mit den Fachgebieten IPEK (KIT) und MUST (TUDa) mit der Integration von Elektronik und Sensorik in Maschinenelemente.

Am Beispiel einer M20-Schraube entwickeln wir eine energieautarke und raumneutrale Sensorplattform zur Erfassung von mehrachsigen Belastungen. Es werden verschiedene Kommunikations- und Energieübertragungskonzepte evaluiert und ein neues ultraschallbasiertes Verfahren auf Basis eines ASICs entwickelt.

Die Entwicklungen der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass nicht alle Performance-Metriken bezüglich integrierter Schaltungen (ICs) ihren Aufwärtstrend halten konnten. Die exponentielle Steigung der Transistor-Dichte in ICs wurde häufig mit pessimistischer Zukunftsaussicht abgekündigt, und auch heute gehen wir mit Blick auf die physikalischen Grenzen von einer endlichen Integrationsdichte aus. Ähnlich wie das um 2005 erreichte Plateau der Taktfrequenz, ist das erreichen einer maximalen Transistor-Dichte in der Zukunft denkbar.

Abstrahiert von der Dichte der Transistoren ist Funktionalität pro Fläche ein grundlegendes Kriterium für Performance, nicht nur im Halbleiter-Bereich. Auch auf System-Ebene und in mechanischen Abläufen spielt Miniaturisierung eine wichtige Rolle. Das Fachgebiet Integrierte Elektronische Systeme beschäftigt sich mit der Zukunft von verschiedenen Arten von elektronischen Systemen und forscht an zukunftsfähigen Konzepten für Integration von Elektronik, die im Folgenden umrissen werden.

Im Projekt „Databelt“ wird ein Messsystem entwickelt, mit dem es möglich ist Messwerte innerhalb eines Zahnriemens zu erheben und diese, während des Betriebs, an eine externe Stelle zu senden.

Ein solches Messsystem ermöglicht die Zustandsüberwachung des Zahnriemens im Betrieb und ist damit ein weiterer Schritt hin zu einer vollständig vernetzten Produktion. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf den Verschleiß des Zahnriemens gelegt, da dieser aktuell nur umständlich durch Personal vor Ort ermittelt werden kann. Als Indikator dienen dabei die Vorspannkraft des Zahnriemens, welche indirekt aus seiner Eigenfrequenz ermittelt wird, und die Temperatur im Inneren des Zahnriemens.

Zum Aufnehmen dieser beiden Messgrößen wurde ein Sensorknoten entwickelt, der klein genug ist, um in einen Zahn des Zahnriemens eingesetzt werden zu können.

Trotz der immer weiter fortschreitenden Digitalisierung sind analoge Breitbandsignale immer noch sehr verbreitet und in einigen Anwendungen unersetzlich. Um diese Signale über größere Entfernungen zu übertragen, gibt es Lösungen auf Glasfaserbasis.

Ein Nachteil dieser Lösungen ist das Fehlen von Datenkanälen für Systemdiagnose- und Steuerungsaufgaben, die bisher zusätzliche Glasfaser- oder andere optische Bänder erfordern. Aus Gründen der Systemeffizienz wird an einer Kombination von analogen und digitalen Datenkanälen über einen einzigen optischen Signalweg geforscht.

Diese Kombination wird kostengünstigere und gleichzeitig flexiblere Datenübertragungswege ermöglichen.

In Zeiten von Industrie 4.0 und Predictive Maintenance werden präzise, widerstandsfähige Ultraschallsensoren und deren Ansteuerung immer wichtiger. Die am Fachgebiet IES entwickelte Platine dient als Experimentier-Plattform für 300kHz Ultraschallsensoren.

Der Sender kann mit frei konfigurierbaren Signalverläufen, z.B. Frequenz und/oder Amplitudenmodulation, angesteuert werden. Bei variierenden Abständen der Sensoren sorgt die kaskadierbare Verstärkerschaltung für eine optimale Signalverstärkung.

Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Bei digitalen Schaltungen stehen MOS-Transistoren und deren immer kleinere Fertigungsmaße im Vordergrund. Während die Struktur und die elektrischen Eigenschaften sich in den letzten Jahrzehnten stark gewandelt haben, ist die Grundfunktionalität (n-Typ und p-Typ Strom schalten) weitgehend unangetastet.

Neuartige rekonfigurierbare Transistoren bieten durch zusätzliche Gates die Möglichkeit die Polarität des FETs zwischen p-Typ und n-Typ zur Laufzeit zu ändern. Der dadurch entstandene zusätzliche Freiheitsgrad in der Schaltungsentwicklung bietet die Möglichkeit die Transistoranzahl von herkömmlichen Schaltungen zu reduzieren oder rekonfigurierbare Schaltungsblöcke zu entwerfen. Am Fachgebiet IES wird an der effizienten Anwendung von planaren rekonfigurierbaren FETs geforscht.