6G-Zukunftscluster

Intelligente Informationstechnologien der Zukunft

Forschungs-, Innovations-, und Kooperationsplattform für die sechste Generation der drahtlosen Informationstechnik (6G) in der Region um Dresden.

Prof. Ellinger bei der Messung eines Mikrochips
Der Finalist 6G-Zukunftscluster möchte die weltweit schnellsten und energieeffizientesten Kommunikationssysteme entwickeln. Quelle: © TUD/Kretzschmar

Was macht den Zukunftscluster-Finalisten aus?

Der Finalist mit Namen 6G-Zukunftscluster in der Region Sachsen plant die Entwicklung einer umfassenden, weltweit führenden 6G-KI-Funksystem-Plattform. Durch die Erforschung drahtloser Informationssysteme der 6. Generation sollen zahlreiche Herausforderungen, z. B. die mit höherer Frequenz steigende Freiraumdämpfung und der aktuell zu hohe Energieverbrauch, überwunden werden. Nachhaltigkeit ist eine zentrale Kompetenz des Zukunftscluster-Finalisten. Neuartige Anwendungen in den Bereichen Konnektivität, Arbeit, Mobilität und Leben sollen erforscht und weiterentwickelt werden. Die Region bietet für die Bildung eines entsprechenden Zukunftsclusters eine vielversprechende Kompetenz- und Wertschöpfungsmatrix, u. a. zu den Feldern Halbleiter, Software und Künstliche Intelligenz (KI) bis hin zu komplexen Funksystem-Produkten und -Diensten.

Welche Vorteile bringt der Ansatz für den Innovationsstandort Deutschland?

Der Zukunftscluster-Finalisten plant sich und die Region um Dresden frühzeitig im Bereich der 6G-Forschung zu positionieren, um hier künftig eine Führungsrolle einnehmen zu können. Durch die Nutzung der Forschungsergebnisse sollen die Datenraten erhöht sowie neue radarbasierte Zusatzfunktionen im Smartphone ermöglicht werden. Durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz soll der Energieverbrauch gesenkt werden. Nachhaltigkeit ist wichtig für den Zukunftscluster-Finalisten. Der 5G-Standard ist seit 2018 auf dem Markt. Mit einer Markteinführung des wesentlich flexibleren und performanteren 6G-Standards ist aus Sicht des Clusters etwa 2028 zu rechnen. Für den Zukunftscluster-Finalisten steht fest: Um bis 2028 kompetitive Produkte zu bieten, muss die 6G-Forschung in den nächsten Jahren starten, damit Deutschland eine Führungsrolle einnehmen kann.

Warum „Zukunftscluster-Finalist“?

In der 1. Wettbewerbsrunde wurden 16 Zukunftscluster-Finalisten ausgewählt, die in der Konzeptionsphase eine Clusterstrategie entwickeln sollen. Ende Januar 2021 wird eine unabhängige Jury dem BMBF bis zu sieben Finalisten zur weiteren Förderung empfehlen. Diese ausgewählten Finalisten dürfen dann den Titel „Zukunftscluster“ tragen.

Weitere Hintergrundinformationen zum Finalisten 6G-Zukunftscluster

Mit den folgenden Texten stellt sich Ihnen der Zukunftscluster-Finalist 6G-Zukunftscluster vor.

Für den Finalisten ist klar: aufgrund unterschiedlicher Aspekte wie z. B. der Corona-Pandemie oder der Bedeutung des Umweltschutzes für den Menschen steht ein Paradigmenwechsel in der Kommunikationstechnik bevor. So wurde während der Corona-Pandemie deutlich, dass digitale Formate bzw. Fernanwendungen Präsenzkonzepte ersetzen können. Dadurch konnte der Energieverbrauch im Mobilitätsbereich stark gesenkt werden. Dies resultiert jedoch in einer Steigerung der Nutzungshäufigkeit und Qualitätsanforderungen von Fernanwendungen wodurch die benötigten Spitzen-Datenraten deutlich steigen. Die Datenmengen werden sich durch Innovationen wie Bildschirme, die erstmals kostengünstig dreidimensionale Inhalte darstellen, drastisch erhöhen.

Der Finalist 6G-Zukunftscluster plant daher die Entwicklung drahtloser Informationssysteme der sechsten Generation, welche diese Herausforderung adressieren und völlig neue Möglichkeiten für die Kommunikationstechnik, Aktorik und Sensorik bieten. Im Vergleich zu 5G mit derzeit 3Gb/s, werden die Datenraten durch neuartige 6G-Architekturen und die Nutzung von Frequenzen bis in den Sub-THz Bereich auf bis zu 200 Gb/s für WLAN erhöht. Durch die hohen Bandbreiten können diverse neuartige, radarbasierte Zusatzfunktionen, wie z. B. hochgenaue 3D-Lokalisierung, Gestenerkennung, Materialdetektion, Mensch und Maschine Diagnostik, etc. kostengünstig in Smartphones integriert werden. Für das Internet der Dinge wird der Verbrauch bei geringen Datenraten so weit reduziert, dass die Versorgung u.a. über autarke, integrierte und umweltfreundliche Energiegeneratoren erfolgen kann.

Doch dies ist eine Vision: tatsächlich sind viele der Funktionen, Spezifikationen und Ansätze für 6G noch nicht definiert. Die Akteure des Zukunftscluster-Finalisten möchten dies als Chance nutzen, um 6G mit zu definieren und in der Region um Dresden einen der wissenschaftlich, technisch, ökonomisch und ökologisch weltweit führenden 6G-Technologiestandorte zu etablieren. Dabei hat auch die Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung eine hohe Bedeutung.

Unterstützt wird das Team der Technischen Universität (TU) Dresden bereits von über 30 Institutionen. Diese Partner decken hierzu die Kompetenz- und Wertschöpfungsmatrix von den Bereichen Halbleiter, Komponenten, Software und KI, bis hin zu komplexen Funksystem-Produkten und Diensten in den 4.0-Bereichen Konnektivität, Arbeit, Mobilität und Leben ab.

Basis des Finalisten sind Vorarbeiten, u.a. im Rahmen des BMBF Zwanzig20 Projektes FAST (Fast Actuators Sensors and Transceivers), des DFG Exzellenzclusters CeTI (Centre for Tactile Internet with Human-in-the-Loop) und des 5G Lab Germany.

Die TU Dresden hat gezeigt, dass auch bei sehr hohen Frequenzen leistungseffiziente integrierte Schaltungen realisiert werden können. Diese Frequenzen von bis zu 200 GHz ermöglichen sehr hohe Datenraten, so wurde beispielsweise ein 190 GHz Kurzdistanz-Transceiver mit 50 Gb/s demonstriert. Diese Datenrate ist bereits über zehnmal so hoch wie 5G heute. Für kurze Distanzen wurde eine Rekordeffizienz von 3 pJ/bit erreicht. Am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) (ab 2020 Zweigstelle in Cottbus) wurden schnellste Link-Prozessor-Architekturen bis 100 Gb/s erforscht. Zudem wurden Empfänger mit niedrigen Bitraten an der TU Dresden entwickelt, die mittels aggressiven Aus/Ein-Zyklen nur 300 nW verbrauchen. Darüber hinaus werden bei den Partnern des Zukunftscluster-Finalisten Radarsensorsysteme mit sehr guter Performance realisiert. Dazu zählen Positionierungssysteme mit hoher 3D-Auflösung, sowie Systeme zur hochgenauen Gestenerkennung.

Ergänzend hierzu kann die TU Dresden als Koordinatorin des Zukunftscluster-Finalisten auf vielfältige Arbeiten im Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) zurückgreifen. Hierzu gehören u.a. selbstorganisierende Funknetze, das maschinelle und neuronale Lernen, selbstoptimierende Prozessoren, adaptive Hochfrequenzsysteme und virtuelle, mehrdimensionale Realitäten.
Der Partner Globalfoundries stellt CMOS-Transistoren mit Verstärkung bis zu Rekordfrequenzen von 300 GHz her. SeeReal ist führend in der Signalverarbeitung für 3D-Bildschirme, für die keine 3D-Brillen mehr benötigt werden.

Die Konzeptionsphase wird an der TU Dresden durchgeführt. Federführend beteiligen sich 4 Professuren mit multidisziplinären Kompetenzen in den Bereich Strategie- und Innovationsmanagement, Schaltungstechnik, Hochfrequenz, Radar, Informatik, KI, adaptive digitale Systeme, Nachhaltigkeit, Transfer und Öffentlichkeitsarbeit.

Die Arbeiten in der Konzeptionsphase umfassen folgende Arbeitspakete:

  • AP1: Analyse Ist-Zustand und Bedarf
  • AP2: Strategieentwicklung, und
  • AP3: Projektkonzeption

Die Arbeiten erfolgen in Kommunikation und Kooperation mit den bisher über 30 Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft.

Auf einen Blick
  • Projektlaufzeit: 01.05.2020 bis 31.10.2020
  • Zuwendung: 144.427,30 € (inkl. Projektpauschale)
  • Zuwendungsempfänger: Technische Universität Dresden
  • Weitere Partner: Etwa 30 Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

Für die Verantwortlichen des Zukunftscluster-Finalisten zeigen die Lockdown-Erfahrungen im Kontext der Corona-Pandemie, dass „Meetings“ und Lehrveranstaltungen sehr effizient per Video abgehalten werden können. Daher sei zu erwarten, dass die benötigten Datenraten auch in Zukunft erheblich ansteigen werden. Gründe hierfür sind eine stark wachsende Anzahl von Nutzern und der Bedarf an wesentlich höheren Qualitäten, z. B. für hochauflösende, echtzeitfähige Anwendungen im Bereich erweiterter Realitäten. Durch die zukünftige 3D-Bildschirmtechnologie eröffnen sich durch die Tiefenauflösung völlig neue Möglichkeiten, jedoch wird dies zu einem zusätzlichen Anstieg der Datenmengen führen. Experten erwarten für die drahtlose Datenübertragung in den nächsten 5 Jahren einen Bedarf an Spitzendatenraten von bis zu 100 Gb/s.

Auch in der digital vernetzten Medizin sind stark ansteigende Datenraten für verschiedene Anwendungen zu erwarten: Für bildgebende Verfahren sind bereits für einen hochauflösenden 3D-Ganzkörperscan Datenmengen von 10-100 TB im Gespräch. Zudem plant der Finalist 6G-Zukunftscluster die Entwicklung von Systemen, welche an niedrige Datenraten mit extrem geringen Verbrauch angepasst sind, z. B. für drahtlose Körpersensoren in der Medizintechnik. Somit leistet er einen Beitrag zur Lösung der Herausforderungen im Zukunftsthema „Gesundheit und Pflege“.

Der Zukunftscluster-Finalist plant aber auch Beiträge zur Nachhaltigkeit, zum Klimaschutz und Energie: Auf der einen Seite wird eine wesentlich höhere Performanz für Kommunikationstechnologien benötigt. Auf der anderen Seite muss der Energieverbrauch geringgehalten werden. Dies ist eine der größten Herausforderungen seit Bestehen der Kommunikationstechnik. Studien besagen, aufgrund der Digitalisierung, bis 2030 eine Erhöhung des Energieverbrauches der IKT von 6 % auf 21 % des globalen Verbrauches voraus. Ziel des Zukunftscluster-Finalisten ist es, den Anstieg des Energieverbrauchs durch den Einsatz von neuartigen KI-Methoden und adaptiver Hardware massiv zu reduzieren.