Kategorie: Laufband

Vernetzte Produkte müssen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg sicher bleiben – von der Entwicklung bis zum laufenden Betrieb. Gleichzeitig erhöht der Cyber Resilience Act den Druck auf Hersteller, Risiken systematisch zu analysieren, Angriffe zu erkennen und Schutzmaßnahmen kontinuierlich zu verbessern. Im it’s OWL-Projekt IoT-ScuBA entwickelte das Fraunhofer IEM gemeinsam mit Diebold Nixdorf und Miele Werkzeuge, die Produkthersteller bei dieser Aufgabe praxisnah unterstützen.

Ob Geldautomat, Haushaltsgerät oder industrielle Anlage: Cyberangriffe auf vernetzte Systeme können erhebliche wirtschaftliche, aber auch rechtliche Folgen haben. Mit dem Cyber Resilience Act steigen für Unternehmen zusätzlich die Anforderungen, ihre Produkte über den gesamten Lebenszyklus hinweg sicher zu betreiben. Gefragt sind nicht nur Schutzmechanismen, sondern auch Systeme, die Angriffe in Echtzeit erkennen und Sicherheitsmaßnahmen kontinuierlich anpassen.

Gemeinsam mit den Industriepartnern entwickelte das Fraunhofer IEM einen durchgängigen Ansatz für die Cyberabwehr vernetzter Produkte: von der Bedrohungsanalyse über die gezielte Überwachung sicherheitskritischer Systembereiche bis hin zur Rückführung realer Angriffsdaten in die Sicherheitsbewertung.

• Bedrohungsanalyse für vernetzte Hard- und Softwaresysteme
• Methodik zur Auswahl relevanter Überwachungspunkte
• Lernmechanismus zur Rückführung neuer Angriffsmuster
• Demonstrator mit Diebold Nixdorf zur automatisierten Angriffserkennung

Bedrohungsanalysen für den Cyber Resilience Act vereinfachen

Ein zentraler Bestandteil der Cybersicherheit ist die sogenannte Bedrohungsanalyse. Unternehmen müssen systematisch analysieren, an welchen Stellen ihre Produkte angreifbar sind und welche Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Der CRA schreibt solche Analysen künftig regelmäßig vor – sowohl für neue als auch für bestehende Produkte. Im Projekt entwickelte das Fraunhofer IEM ein Bedrohungsanalysewerkzeug, das Hard- und Software gemeinsam betrachtet. Durch so einen Bedrohungsanalyse-Editor, der in den Entwicklungsprozessen bei Miele erfolgreich getestet wurde, lassen sich potenzielle Schwachstellen vernetzter Geräte automatisiert erkennen und passende Gegenmaßnahmen ableiten. Gleichzeitig entstehen Reporte, die Unternehmen für ihre CRA-Dokumentation nutzen können.

Sicherheitskritische Bereiche gezielt überwachen

Neben der Analyse von Risiken und Bedrohungen fordert der CRA auch die Überwachung sämtlicher sicherheitsrelevanter Vorgänge im laufenden Betrieb. Doch gerade bei komplexen IoT-Systemen stellt sich die Frage: Welche Komponenten müssen überhaupt überwacht werden? Das Projektteam entwickelte eine Methodik, mit der sich auf Basis der Bedrohungsanalyse geeignete Überwachungspunkte für die Angriffsdetektion systematisch ableiten lassen. So lässt sich gezielt überwachen, wo relevante Risiken entstehen – etwa beim Zugriff auf sensible Daten oder an Schnittstellen zwischen verschiedenen Systembereichen. „Nicht jedes Teilsystem muss vollständig überwacht werden“, sagt Projektleiter Dr. Markus Fockel vom Fraunhofer IEM. „Entscheidend ist, die relevanten Stellen systematisch zu identifizieren und Ressourcen gezielt einzusetzen.“

Cyberabwehr lernt aus Angriffen

Eine besondere Stärke des Ansatzes ist, dass die Sicherheitsbewertung nicht mit dem Erkennen eines Angriffs endet. Die im laufenden Betrieb gewonnenen Angriffsdaten fließen automatisiert zurück in das Bedrohungsanalysewerkzeug. So lassen sich neue Erkenntnisse direkt im Bedrohungsmodell berücksichtigen und Schutzmaßnahmen gezielt anpassen. „Der Demonstrator zeigt, wie sich Angriffe auf vernetzte Systeme im laufenden Betrieb erkennen und konkrete Reaktionen automatisiert einleiten lassen. Für Hersteller ist das ein wichtiger Schritt, um Sicherheit nicht nur zu planen, sondern kontinuierlich zu verbessern“, erläutert Marcel Stienemeier, Senior Security Engineer bei Diebold Nixdorf. Auch die Anbindung an offene Plattformen wie MISP (Malware Information Sharing Platform) spielt dabei eine wichtige Rolle. Ziel ist es, Erkenntnisse über Angriffe künftig besser zwischen Unternehmen und Sicherheitsteams auszutauschen und Cyberbedrohungen schneller zu erkennen.

Demonstrator zeigt Angriffserkennung im laufenden Betrieb

Wie die im Projekt erarbeiteten Werkzeuge und Methoden zusammenspielen, zeigt ein Demonstrator von Diebold Nixdorf: Der entwickelte Angriffsdetektions-Prototyp erkennt Schadsoftware auf Geldautomaten und stoppt Angriffe, wenn unberechtigt Bargeld ausgezahlt wird. Die Angriffsdaten werden dann in MISP bereitgestellt und im Bedrohungsanalysewerkzeug an den betroffenen Komponenten visuell dargestellt. „Die Ergebnisse unseres Projekts zeigen, wie wichtig es ist, Security ganzheitlich zu denken“, betont Markus Fockel. „Bedrohungsanalyse, Angriffsdetektion und die Rückführung realer Angriffsdaten gehören in einen Kreislauf. Nur so bleibt ein vernetztes Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus sicher. Genau das verlangt der Cyber Resilience Act.“

Die im Projekt entwickelten Werkzeuge und Methoden wurden sowohl am Geldautomaten-Demonstrator von Diebold Nixdorf als auch im Bedrohungsanalyse-Editor von Miele erprobt. Damit zeigen die Ergebnisse, wie Produkthersteller Cyberabwehr systematisch in vernetzte Systeme integrieren können: von der Risikoanalyse über die Angriffserkennung bis zur kontinuierlichen Verbesserung der Schutzmaßnahmen.

Unternehmen, die ihre IoT-Produkte auf die Anforderungen des Cyber Resilience Act vorbereiten möchten, finden die Lösungsbausteine aus dem Projekt auf der it’s OWL-Innovationsplattform.

Mehr zum Thema

• Projektergebnisse IoT-ScuBA auf der it’s OWL-Innovationsplattform 
• Cyber Resilience Leistungsangebote  (iem.fraunhofer.de)
• Praxisbeispiel: Security Champions bei Weidmüller stärken Cybersicherheit in der industriellen Softwareentwicklung (iem.fraunhofer.de)

Quelle: Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik

„Nordrhein-Westfalen geht den Weg von der Kohle zur KI. Wir haben die besten Voraussetzungen, um Nordrhein-Westfalen zum führenden KI-Standort zu entwickeln: Hier trifft eine industriell und maschinell geprägte Wirtschaft mit einem starken Mittelstand auf eine starke technologische und wissenschaftliche Basis mit der dichtesten Hochschullandschaft Europas. Nordrhein-Westfalen ist der Ort, an dem KI von der Idee bis zur industriellen Anwendung gedacht wird.“ Mit diesen Worten eröffnete Hendrik Wüst MdL, Ministerpräsident des Landes Nordrhein-Westfalen, heute die „AI26 – The Lamarr Conference“ im Plenarsaal des ehemaligen Deutschen Bundestages in Bonn. Mit seiner internationalen Konferenz für anwendungsorientierte Künstliche Intelligenz bringt das Lamarr-Institut für Maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz in Kooperation mit der IHK Bonn/Rhein-Sieg rund 400 Expertinnen und Experten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik im World Conference Center zusammen.

Im Rahmen der Eröffnung überreicht Hendrik Wüst MdL den diesjährigen Lamarr Award an Dr. Jarosław Kutyłowski, Gründer und CEO des Kölner KI-Unternehmens DeepL: „Den Lamarr Award zu erhalten, ist für mich eine große Ehre – und zugleich ein Ansporn. Er steht für die Überzeugung, dass Spitzenforschung und praktische Anwendbarkeit zusammengehören. Wir haben bereits bewiesen, dass Europa KI entwickeln kann, für die sich globale Unternehmen bewusst entscheiden. Jetzt geht es darum, diesen Anspruch weiter auszubauen – getragen von der Überzeugung, dass die Art, wie wir etwas bauen, genauso wichtig ist wie das, was wir bauen“, so der Preisträger. Für Nordrhein-Westfalen ist diese Verbindung von wissenschaftlicher Exzellenz und erfolgreicher unternehmerischer Umsetzung ein zentraler Baustein seiner KI-Strategie. Ministerpräsident Hendrik Wüst betont: „DeepL zeigt beispielhaft, was von Nordrhein-Westfalen aus möglich ist. Nirgendwo sonst verbinden sich neue Technologien so eng mit praktischer, industrieller Anwendung. Nordrhein-Westfalen ist Anziehungspunkt für die KI-Branche und deren Partner, unser Weg von der Kohle zur KI findet weltweit Beachtung. Der Lamarr-Award an Dr. Jarosław Kutyłowski ist hochverdient, er gibt wichtige Impulse für technologische Souveränität und Wettbewerbsfähigkeit. Wir sind entschlossen, unser Land zu dem KI-Hotspot in Europa zu machen – und Menschen wie Jarosław Kutyłowski tragen dazu bei, dass uns das gelingt.“

Wie Europa diesen Weg von exzellenter KI-Forschung zu Innovation, Wettbewerbsfähigkeit und gesellschaftlichem Nutzen erfolgreich gestalten kann, steht auch im Mittelpunkt der AI26. Rund 50 internationale Expertinnen und Experten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik diskutieren dazu aktuelle Entwicklungen, Herausforderungen und Lösungsansätze gemeinsam mit dem Publikum. Zu diesen zählen unter anderem Oxford-Robotikforscher Prof. Dr. Ingmar Posner, Medical-AI-Experte Prof. Dr. Sylvain Baillet vom CRCHUM Montréal, Telekom Board Member Dr. Ferri Abolhassan, DeepMind-Wissenschaftler Dr. Bogdan Georgiev sowie Romina Medici, Global Data & AI Executive bei der ERGO Group. Im Fokus der AI26 steht der interdisziplinäre Austausch: Panels, Expert Sessions und interaktive Formate bringen Forschende, Akteure aus Unternehmen und politische Entscheidungsträger gezielt miteinander ins Gespräch und schaffen Raum für Ideen, neue Impulse und gemeinsame Lösungsansätze.

Von Spitzenforschung zu Skalierung und Wettbewerbsfähigkeit

Welche Voraussetzungen erfüllt sein müssen, damit wissenschaftliche Erkenntnisse schnell ihren Weg in die Praxis finden, und wie wir es schaffen können, Werte, Wertschöpfung und Wettbewerbsfähigkeit in Einklang zu bringen, diskutieren die Expertinnen und Experten aus unterschiedlichen Perspektiven.

„Mit den KI-Kompetenzzentren wie dem Lamarr-Institut hat Deutschland sehr erfolgreich die Spitzenforschung in der Künstlichen Intelligenz gestärkt. Mit Universitäten, Fraunhofer-Instituten und Partnern aus der Wirtschaft entstehen zugleich Innovationspole mit nachhaltiger Wirkung auf Unternehmen und Gesellschaft. Dies wollen wir noch weiter ausbauen und beschleunigen“, sagt Prof. Dr. Stefan Wrobel, Co-Direktor des Lamarr-Instituts.

Im Fokus der Diskussionen stehen dabei auch die Ziele der „Hightech Agenda Deutschland“ und was es jetzt braucht, damit sich europäische KI als skalierbare Schlüsseltechnologie in einem starken Ökosystem aus Forschung und Industrie etablieren kann. „Europas Stärke liegt nicht nur in seiner exzellenten KI-Forschung, sondern auch in seinem industriellen Ökosystem. Echte KI-Wertschöpfung entsteht dort, wo aus leistungsfähigen KI-Modellen Anwendungen werden, die in Industrie, Gesundheitswesen, öffentlichem Sektor und Verteidigung echten Mehrwert schaffen. Dafür brauchen wir nicht das nächste große Sprachmodell. Wir brauchen industrielle Daten, souveräne und vertrauenswürdige Infrastrukturen sowie die Fähigkeit, Innovationen im Einklang mit europäischen Werten zu skalieren. Genau diesen Weg gehen wir mit unserer AI Factory in München auf Basis modernster NVIDIA-Technologie“, betont Dr. Ferri Abolhassan, Board Member Deutsche Telekom.

Mit agentischen KI-Systemen rückt dabei zunehmend die Frage in den Fokus, wie Unternehmen Künstliche Intelligenz künftig nicht nur zur Unterstützung einzelner Aufgaben, sondern zur intelligenten Steuerung komplexer Geschäftsprozesse einsetzen können. „Die nächste Welle der KI wird nicht allein leistungsfähigere Modelle hervorbringen, sondern neue Formen der Zusammenarbeit zwischen Mensch und KI. Agentische Systeme können ganze Wertschöpfungsprozesse unterstützen und neu organisieren. Der eigentliche Wettbewerbsvorteil entsteht dort, wo Unternehmen diese Möglichkeiten strategisch nutzen und verantwortungsvoll in ihre Organisation integrieren“, so ordnet Romina Medici, ERGO Group, die nächste Entwicklungsstufe KI-gestützter Geschäftsprozesse ein.
 

Von Sprachmodellen zu intelligent handelnden Systemen

Mit Agentic AI, Vision-Language-Action-Modellen und neuen Entwicklungen in der Robotik entwickelt sich KI zunehmend von Systemen, die Sprache verstehen und Inhalte generieren, hin zu Systemen, die ihre Umgebung wahrnehmen, planen und in realen Umgebungen handeln können. Internationale Impulse dazu liefern unter anderem Oxford-Robotikforscher Prof. Ingmar Posner, Dr. Bogdan Georgiev von Google DeepMind sowie Prof. Dr. Maren Bennewitz von der Universität Bonn und dem Lamarr-Institut. Mit Embodied AI entwickelt sich KI zunehmend von Systemen, die Informationen verarbeiten, hin zu intelligent handelnden Systemen, die ihre Umgebung wahrnehmen, daraus lernen und eigenständig agieren können. „Durch Embodied AI verbinden sich intelligente Algorithmen und Robotik zu Systemen, die ihre Umwelt wahrnehmen, selbstständig lernen und real handeln können. Diese neue Generation KI-gestützter Roboter wird dazu in der Lage sein, den Menschen in komplexen realen Umgebungen zu unterstützen. Gleichzeitig treibt KI die Wissenschaft revolutionär voran, indem sie Forschende bei der Formulierung wissenschaftlicher Hypothesen unterstützt und z. B. die Entdeckung neuer Medikamente und Materialien beschleunigt“, sagt Bennewitz.
 

KI muss sich ihren Platz im Gesundheitswesen verdienen

Wie Künstliche Intelligenz ihren Weg aus der Forschung in die klinische Praxis findet, ist ein weiterer Schwerpunkt der AI26. Im Mittelpunkt stehen aktuelle Entwicklungen rund um patientenzentrierte KI, KI-gestützte Diagnostik und die Integration leistungsfähiger KI-Systeme in medizinische Versorgungsprozesse. Ob KI die Medizin nachhaltig verändern wird, entscheidet sich daran, welchen konkreten Nutzen sie für Patientinnen und Patienten, medizinisches Personal und Gesundheitssysteme schafft. Internationale Kooperationen sind dabei entscheidend, um Fortschritte der KI-Forschung in eine bessere klinische Praxis zu überführen.

Wie eine solche Zusammenarbeit aussehen kann, zeigt eine neue internationale Partnerschaft, die im Rahmen der AI26 bekannt gegeben wird: Das Centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CRCHUM) und die Technische Universität Dortmund als einer der Kernpartner des Lamarr-Instituts unterzeichnen auf der Konferenz eine gemeinsame Absichtserklärung. „Ich freue mich sehr über unsere Partnerschaft mit dem Lamarr-Institut. Gemeinsam wollen wir über vielversprechende KI-Prototypen in der biomedizinischen Forschung und im Gesundheitswesen hinausgehen und vertrauenswürdige Lösungen identifizieren sowie verantwortungsvoll bereitstellen, die sich in unseren jeweiligen Gesundheitssystemen skalieren lassen. Unser gemeinsames Ziel ist es, sicherzustellen, dass Künstliche Intelligenz dort einen positiven Unterschied macht, wo sie für Patientinnen und Patienten am wichtigsten ist: beim Zugang zur Gesundheitsversorgung, bei der Patientensicherheit, bei Chancengerechtigkeit und bei der Nachhaltigkeit unserer Gesundheitssysteme“, beschreibt Prof. Dr. Sylvain Baillet, CRCHUM Montréal.

Schulterschluss für Europas KI-Zukunft

Die AI26 zeigt, dass Europa im globalen KI-Wettbewerb nicht allein durch neue Modelle oder höhere Rechenleistung überzeugen wird. Entscheidend wird sein, wissenschaftliche Exzellenz mit unternehmerischer Umsetzung, vertrauenswürdigen Infrastrukturen und konkreten Anwendungen zu verbinden. Die zentralen Herausforderungen rund um Künstliche Intelligenz lassen sich heute nicht mehr von einer einzelnen Disziplin oder Institution allein beantworten. „Zum ersten Mal in der Geschichte breitet sich mit Künstlicher Intelligenz eine neue Technologie in allen Lebensbereichen gleichzeitig aus. Deshalb ist die enge Zusammenarbeit von Forschung, Wirtschaft und Politik der Schlüssel für exzellente Wissenschaft, technologische Souveränität, erfolgreiche Innovationen und Wertschöpfung“, betont Ina Brandes, Ministerin für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen. Genau dieser Schulterschluss ist eine zentrale Voraussetzung, um die Ziele der deutschen Hightech Agenda zu erreichen und wissenschaftliche Exzellenz in Innovation, technologische Souveränität und nachhaltige Wertschöpfung zu übersetzen.

Über das Lamarr-Institut für Maschinelles Lernen und Künstliche Intelligenz

Das Lamarr-Institut gestaltet eine neue Generation der Künstlichen Intelligenz (KI), die leistungsstark, nachhaltig, vertrauenswürdig und sicher zur Lösung fundamentaler Herausforderungen in Wirtschaft und Gesellschaft beiträgt. Als eines der zentralen KI-Kompetenzzentren Deutschlands steht das Lamarr-Institut für wertebasierte, international wettbewerbsfähige und anwendungsorientierte Spitzenforschung und engagiert sich auf regionaler, nationaler sowie internationaler Ebene in Wissenschaft, Bildung und Technologietransfer.

Getragen wird das Forschungsinstitut von der Technischen Universität Dortmund, der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn sowie den Fraunhofer-Instituten für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS in Sankt Augustin und für Materialfluss und Logistik IML in Dortmund. Das Lamarr-Institut wird im Rahmen der KI-Strategie der Bunderegierung durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) sowie das Land Nordrhein-Westfalen dauerhaft gefördert.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS

Für einen Quantencomputer, der aktuell am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart entsteht, hat das Fraunhofer ILT in Aachen ein höchst komplexes laseroptisches System entwickelt. Damit lassen sich 2.000 Rydberg-Atome sub-µm-genau in der sehr kompakten Vakuumkammer des Rechners positionieren. Dafür projiziert das System ein Array aus 2.000 jeweils einzeln ansteuerbaren Laserstrahlen in die Kammer. Sie dienen als optische Pinzetten und halten die schwebenden Rydberg-Atome präzise in dem Abstand zueinander, in dem sie miteinander wechselwirken. Auf diesen Wechselwirkungen basieren die quantenlogischen Prozesse des Rechners.

Die Aufgabenstellung hatte es in sich: Gefragt war ein System, das 2.000 schwebende Strontium-Atome jeweils mit optischen Pinzetten ansteuern und sie auf weniger als 100 Nanometer (nm) genau in der Vakuumkammer eines Rydberg-Quantencomputers positionieren kann. Die Vakuumkammer ist die Prozessoreinheit des Rechners, in der jeweils zwei benachbarte Atome durch Laser-Anregung in einen Zustand gebracht werden, in dem sie miteinander wechselwirken. Die Wechselwirkungen sind kontrollier- und messbar: Wissenschaftler sprechen von logischen Zwei-Qubit-Gattern. Sie sind die Grundbausteine des quantenlogischen Gatters eines Rydberg-Quantencomputers.

Rydberg-Atome eignen sich besonders für das Quantencomputing. Im laserangeregten Zustand sind sie mehr als einen Mikrometer (µm) groß, weil ihr äußeres Elektron infolge der Anregung für kurze Zeit auf ein weit vom Atomkern entferntes Orbital gelangt, in dem es aber dennoch gebunden bleibt. Wegen der schwachen Bindung ist das Atom allerdings sehr sensitiv für elektrische Störeinflüsse, die auch vom benachbarten Atom ausgehen können. Das machen sich die Wissenschaftler für die hochpräzise elektromagnetische Kontrolle der Quantenoperationen zunutze.

Patentierter Qubit-Ansatz

Ein Team des 5. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart um Dr. Florian Meinert und Prof. Tilman Pfau arbeitet an einem universellen Quantencomputer mit Rydberg-Atomen, in dem es einen patentierten Feinstruktur-Qubit-Ansatz realisiert, welcher auf der magischen Wellenlänge von 592 nm basiert [1]. Bei dieser Wellenlänge werden beide Zustände des Qubits und der Rydberg-Zustand gleich stark in den optischen Pinzetten gehalten, was das System besonders robust macht. Versucht man ein Pärchen an Qubits gleichzeitig mit Lasern in den Rydberg-Zustand anzuregen, unterliegt eines der Atome wegen der starken Wechselwirkung zwischen ihnen einer Anregungsblockade. Das ist die Grundlage der Rechenoperationen des Demonstrators, den das Team aktuell in Stuttgart aufbaut und erprobt. Die eingangs beschriebene Aufgabenstellung dient der Skalierung des Rechners: Das gefragte optische System soll die Atome mit 2.000 Laserstrahlen fixieren und es dem Team zudem ermöglichen, das aus 20 x 100 Laserfoki gebildete Array und die daran angedockten Qubits in laufenden Rechenprozessen neu anzuordnen. Für die optimale Wechselwirkung mit den Nachbar-Atomen im Array werden diese auf exakt 3,5 µm Abstand zueinander gebracht.

Hochkomplexer laseroptischer Systemaufbau

Jeder der 2.000 Laserstrahlen muss dafür im Sinne einer effizienten Fehlerkorrektur im Quantengatter individuell ansteuerbar sein. Dies darf jedoch keinesfalls zulasten der Präzision gehen: Denn für schnelle, verlässlich schaltbare Wechselwirkungen der angeregten Atome sind die Abstände der Laserfoki auf <100 nm genau definiert.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen hat sich der Aufgabenstellung des Stuttgarter Forschungsteams angenommen und das entsprechende laseroptische System auf Basis umfassender Simulationen entwickelt und konstruiert [2,3]. Der Montage folgte vor der Auslieferung eine umfassende Erprobung. Bei der Inbetriebnahme war dann kein Nachjustieren mehr erforderlich. Im Gesamtaufbau des Quantencomputers war für das Optiksystem mit über 150 optischen Komponenten nur ein Quadratmeter vorgesehen. Auch diese Anforderung konnte das Aachener Team erfüllen – und das kompakte System mittlerweile vor Ort erfolgreich in Betrieb nehmen.

Tatsächlich ist es gelungen, das Array aus 20 Reihen mit je 100 einzeln ansteuerbaren Laserfoki im geforderten Abstand von jeweils 3,5 µm zueinander zu realisieren. Dafür teilt der Aufbau aus kaskadierenden Strahlteilern, akusto-optischen Deflektoren, Linsen und Spiegeln vier ursprünglich eingehende Laserstrahlen schrittweise in die benötigten 2.000 individuell ansteuerbaren Strahlen. Dabei entsteht ein Zwischenbild des Arrays, das über Spiegel in eine Relay-Einheit gelenkt wird. Diese bildet das Zwischenbild 50-fach verkleinert in der Vakuumkammer ab, worin die 2.000 Foki als optische Pinzetten dienen. Hintergrund: Fokussiertes Licht übt Anziehungskraft auf die Atome aus. Wird der Fokus bewegt, wandern sie mit. Für ihre Beiträge zur Erfindung solcher optischen Pinzetten erhielten die US-Forscher Arthur Ashkin und Steven Chu jeweils den Nobelpreis für Physik.

Aus eingangs vier Laserstrahlen werden 2.000

»Eine Herausforderung bestand darin, die vier eingehenden, kollimierten Laserstrahlen mit 20 W Gesamtleistung in 2.000 einzeln ansteuerbare, leistungsgleiche Strahlen zu teilen«, berichtet Dr. Martin Traub, Gruppenleiter Optikdesign und Diodenlaser am Fraunhofer ILT. Dafür passiere jeder Strahl zunächst so genannte Strahlteilerwürfel. Diese lenken im ersten Schritt 20 Prozent des Lichts im 90°-Winkel ab und lassen die restlichen 80 Prozent zu einem weiteren Würfel durch, wo der Strahl abermals geteilt wird. Der Vorgang wiederholt sich je Laserstrahl fünfmal, was in 20 parallelen Strahlen gleicher Leistung resultiert. Diese durchlaufen dann akusto-optische Deflektoren (AOD), wo sie durch Beugung in einem akustisch angeregten Kristall aufgeteilt und abgelenkt werden. »Die Schallwellen sorgen für eine periodische Modulation des Brechungsindex im Kristall«, erläutert er.

So entsteht ein steuerbares optisches Gitter, in dem sich über die Schallfrequenz der Ablenkwinkel austretender Laserstrahlen und über die Amplitude der Leistungsanteil ändern lasse. Bei 100 unterschiedlichen Frequenzen ergeben sich so 100 verschiedene Ablenkwinkel; jeder einzelne der 20 eingehenden Laserstrahlen wird von den AODs in 100 Teilstrahlen aufgespalten, die zudem individuell ansteuerbar sind.

Ein eigens angefertigter, extrem präziser Treppenspiegel

Der Schritt von den 100 Teilstrahlen hin zu den einzeln ansteuerbaren Laserfoki führt über eine Reihe weiterer optischer Elemente. Zunächst wandelt eine Fourierlinse die Strahlen in ein telezentrisches Punktemuster. Dieses wäre wegen der Baugröße der Strahlteilerwürfel und AODs jedoch viel zu groß, um in der Vakuumkammer einzelne Atome im geforderten 3,5-µm-Abstand zu positionieren. Es bedarf weiterer optischer Kniffe: Die 2.000 Laserstrahlen werden auf einen Treppenspiegel mit kaskadierenden Spiegelflächen gelenkt, die immer kleiner werden und schließlich nur noch einige hundert Mikrometer messen. In dieser Kaskade wird der Abstand der Spots auf weniger als 200 µm verkleinert. Doch auch das genügt nicht: eine weitere 50-fache Verkleinerung ist notwendig.

»Diese erreichen wir, indem wir das Zwischenbild über einen Periskop-Spiegel auf eine zweite Ebene lenken, wo eine zweistufige telezentrische Relay-Einheit es verkleinert in die Vakuumkammer projiziert«, erklärt Traub. Um die im Array geforderten einstelligen µm-Abstände zu realisieren, sei geballtes Know-how in die Systemauslegung, Fertigung der optischen Komponenten sowie in die Montage und Justage eingeflossen. Zum Ausrichten der Spiegel mit der nötigen Genauigkeit war ein Hexapod-System mit sechs Aktuatoren im Einsatz. Dieses kann die Spiegel in je drei Raumrichtungen und Winkeln frei justieren. Die Akribie war notwendig, da minimale Abweichungen beim Ausrichten der optischen Komponenten fehlerhafte Abstände im Array zur Folge hätten. Das ginge direkt zulasten der Rechenperformance, weil falsch positionierte Qubits ihre logische Funktion nicht mehr erfüllen können. Doch genau darauf kommt es an: Denn mit jedem logischen Qubit wächst das Potential von Quantencomputern exponentiell.

Langjährige Expertise des Fraunhofer ILT trägt maßgeblich zur Lösung bei

»Die erfolgreiche Konzeptionierung und Umsetzung des Systems war nur mithilfe der umfassenden Expertise möglich, die das Fraunhofer ILT in seiner 40-jährigen Geschichte aufgebaut hat«, berichtet Traub. Es belege, wie zentral Laser und Optiken als Building Blocks und Enabler für das Zukunftsfeld Quantentechnologie sind. »Das gilt auch für unsere nahezu rauschfreien Quantenfrequenzkonverter, einen kürzlich in Aachen in Betrieb genommenen Netzwerkknoten für das Quanteninternet der Zukunft oder auch für einen im SLE (Selective Laser-induced Etching) Verfahren aus Quarzglas gefertigten Ionenfallen-Chip für einen Quantenprozessor, die unser Institut bereits realisiert hat«, ergänzt Dr. Bernd Jungbluth, der Leiter der Strategic Mission Quantentechnology am Fraunhofer ILT. Ebenso wie Ryberg-Atome haben Ionen den Vorteil, dass sie per se keine Herstellungsvarianzen oder langen Kohärenzzeit aufzuweisen, was Ionenfallen- und Rydberg-Quantencomputern zunehmende Aufmerksamkeit in der Quantentech-Community verschaffe. Laser und optische Technologien bilden bei beiden Ansätzen das Fundament.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Strengere Vorgaben, die Reparatur hochwertiger Bauteile und der Bedarf an skalierbaren industriellen Lösungen eröffnen laserbasierten Fertigungsverfahren neue Anwendungsfelder. Das Fraunhofer ILT und Etxetar greifen diese Entwicklung auf und erweitern den industriellen Einsatz von Laserauftragschweißen (LMD) und Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA). In einer Absichtserklärung vereinbaren die beiden Partner, Prozesswissen, industrielles Engineering und Anwendungserfahrung zu bündeln, um wachsende Anforderungen in der Luftfahrt, bei Beschichtungen und in weiteren Branchen gezielt zu adressieren.

Etxetar bringt mehr als nur maschinenbauliches Fachwissen in diese Partnerschaft ein. Das spanische Unternehmen versteht sich als Engineering-Partner für hochwertige industrielle Lösungen und verbindet Werkzeugmaschinen-Know-how mit einem starken Anwendungsfokus. Das zeigt sich in konkreten Arbeiten an Turbinenschaufeln, der Reparatur von Blisks, Eisenbahnachsen und Getriebekomponenten sowie in eigenen Prozessstrategien, softwaregestützter Prozessüberwachung und der Einbindung in industrielle Fertigungsabläufe. Diese Tiefe ist entscheidend: Etxetar bringt das technische Verständnis mit, das eine echte Entwicklungspartnerschaft braucht. So entsteht eine starke Basis, um gemeinsam zu prüfen, wie LMD und EHLA konkrete industrielle Anforderungen erfüllen und neue Marktchancen erschließen können.

Das Fraunhofer ILT bringt tiefgreifende Prozesskompetenz in LMD und EHLA ein, sowohl um diese Technologien entsprechend industrieller Anforderungen weiterzuentwickeln als auch um Prozesswissen in skalierbare Systemdesigns zu überführen. Dazu zählt unter anderem, Bauteilgeometrien während der Beschichtung zu erfassen, Abweichungen von Sollkonturen zu erkennen und Prozessparameter wie die Vorschubgeschwindigkeit automatisch nachzujustieren. Dieses Know-how ist besonders wertvoll, wenn etablierte Prozesse für neue Anwendungen und engere industrielle Anforderungen adaptiert werden.

Regulierung schafft neues Momentum

Ein wesentlicher Treiber für den wachsenden Einsatz dieser Technologien ist die Regulierung. Der europäische Euro-7-Rahmen hat seinen Geltungsbereich über Emissionen hinaus auf nicht abgasbedingte Quellen wie Bremspartikelemissionen ausgeweitet und verändert damit das Marktumfeld für Beschichtungs- und Oberflächentechnologien erheblich. Für Hersteller von Bremsscheiben und anderen verschleißintensiven Bauteilen wächst der Druck, robuste und skalierbare Alternativen zu finden, und Etxetar hat in diesem Kontext bereits EHLA-basierte Lösungen positioniert.

»Euro 7 schafft eine Nachfrage nach skalierbaren Beschichtungslösungen – und dieser Druck wird nicht auf Europa beschränkt bleiben. Wir erwarten, dass ähnliche Anforderungen auch in anderen wichtigen Märkten entstehen werden«, sagt Dr. Thomas Schopphoven, Leiter der Abteilung Laser Material Deposition am Fraunhofer ILT.

Aus Sicht des Fraunhofer ILT beginnen viele Hersteller, nach Alternativen zu suchen, sobald die Gesetzgebung einen klaren technischen Bedarf schafft, was den Weg für einen breiteren industriellen Einsatz in anderen Märkten öffnet wie China, Indien und Japan.

Luftfahrt als Vorreiter für Laserreparatur im Hochleistungsbereich

Unter den Anwendungsfeldern, auf die die Partnerschaft abzielt, sticht die Luftfahrt als besonders vielversprechend hervor. Hochwertige Bauteile wie Blisks, Turbinenschaufeln und andere geometrisch anspruchsvolle Komponenten vereinen genau die Anforderungen, die laserbasierte Reparatur auf Basis von LMD attraktiv machen: hoher Materialwert, extreme Betriebsbedingungen und ein klares Interesse daran, die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern, statt sie vorzeitig zu ersetzen.

»Die Luftfahrt setzt den Maßstab dafür, was laserbasierte Reparatur leisten muss: Präzision, Wiederholbarkeit und vollständige Prozesskontrolle bei Bauteilen, bei denen Versagen keine Option ist«, sagt Alejandro Bárcena, CEO von Etxetar.

Luftfahrt ist nicht das einzige Feld, in dem die Partnerschaft einen Unterschied machen kann. Etxetar dokumentiert bereits Anwendungsfälle bei der Reparatur von Zahnrädern, Schraubenrädern und zertifizierten Eisenbahnachsen – Anwendungen, bei denen Verschleiß, lokale Schäden oder anspruchsvolle Geometrien einen Austausch kostspielig machen. Auch raumfahrtbezogene Komponenten sind auf dem Radar, insbesondere dort, wo innovative Fertigungs- und Reparaturstrategien neue Antriebskonzepte oder andere hochspezialisierte Anwendungen unterstützen können.

Intelligenter Beschichten: KI macht das LMD robuster und produktiver

Künstliche Intelligenz spielt eine zunehmend praktische Rolle dabei, diese Prozesse robuster und produktiver zu machen. Das AI-SLAM-Projekt des Fraunhofer ILT zeigt, wie das beim Laserauftragschweißen funktioniert: Das System erfasst Bauteilgeometrien während der Beschichtung, erkennt Abweichungen von der Sollkontur und justiert Prozessparameter wie die Vorschubgeschwindigkeit in Echtzeit nach.

Auf Basis größerer Datensätze lernt die Software außerdem, den Prozess iterativ zu verbessern. Für industrielle Anwender ist das relevant, weil Beschichtungs- und Reparaturaufgaben häufig ungleichmäßigen Verschleiß, wechselnde Schichtdicken und wiederholte manuelle Korrekturen mit sich bringen. Im Rahmen der Partnerschaft mit Etxetar schafft diese Art digitaler Prozessintelligenz einen zusätzlichen Mehrwert und unterstützt den Schritt von guten Einzelergebnissen hin zu zuverlässiger Leistung in anspruchsvollen industriellen Umgebungen im großen Maßstab.

Von bewährten Prozessen zu neuen Marktchancen

Bei dieser Zusammenarbeit geht es nicht darum, unausgereifte Technologien einzuführen, sondern bereits bewährte Verfahren für weitere industrielle Anwendungsbereiche zu erschließen. Die Absichtserklärung spiegelt ein gemeinsames Ziel wider: die Weiterentwicklung und Industrialisierung von LMD und EHLA in Bereichen, in denen regulatorische Vorgaben, Anforderungen an die Haltbarkeit und Kostendruck neue Impulse setzen – von der Beschichtung von Bremsscheiben nach Euro-7 bis zur Reparatur hochwertiger Turbinenkomponenten.

Was die Partnerschaft besonders stark macht, ist die Kombination komplementärer Stärken: Das Fraunhofer ILT bringt fundiertes Prozess-Know-how, Anwendungserfahrung und digitales Fachwissen ein, während Etxetar seine industrielle Vision und Expertise in der Entwicklung additiver Verfahren, Produktionslinienlösungen, LMD- und EHLA-Zellen und -Maschinen sowie hochentwickelte Software, Überwachungs- und KI-Fähigkeiten beisteuert, die alle im eigenen Haus entwickelt wurden.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Wissenschaftsministerin Brandes: Ein Meilenstein, damit an allen nordrhein-westfälischen Hochschulen der Umgang mit der Schlüsseltechnologie selbstverständlicher und besser wird

Der Einsatz Künstlicher Intelligenz in Forschung, Studium und Lehre sowie in der Hochschulverwaltung ist nicht mehr wegzudenken. Mit dem neuen KI:Expertisezentrum.nrw soll allen Studentinnen und Studenten sowie Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in Forschung und Verwaltung in Nordrhein-Westfalen der zuverlässige, datenschutzkonforme Zugang zu generativen KI-Modellen erleichtert und KI-Kompetenz aufgebaut werden. Dazu werden die Kompetenzen von KI:edu.nrw, KI:connect.nrw und Open Source-KI.nrw unter einem Dach gebündelt. Am 1. Juli 2026 nimmt das neue KI:Expertisezentrum.nrw seine Arbeit auf. Das Ministerium für Kultur und Wissenschaft fördert das Projekt mit rund 15,4 Millionen Euro bis Ende 2030.

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MKW I Anja Tiwisina

„Künstliche Intelligenz ist im Alltag der Menschen allgegenwärtig – über Chatbots, bei ärztlichen Untersuchungen und Diagnosen, selbst in der Kunst und Musik. Überall, wo wir uns von KI unterstützen lassen, müssen Nutzungskompetenz und Datensicherheit gewährleistet sein – unabhängig von einzelnen kommerziellen Anbietern. Das KI:Expertisezentrum.nrw ist ein Meilenstein, damit an allen nordrhein-westfälischen Hochschulen der Umgang mit der Schlüsseltechnologie selbstverständlicher und besser wird. Damit stärken wir Nordrhein-Westfalens Vorreiterrolle im Bereich KI in der Hochschulbildung.“

Wissenschaftsministerin Ina Brandes

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Das KI:Expertisezentrum.nrw richtet den Blick neben Studium und Lehre auch auf die Hochschulverwaltung und insbesondere darauf, wie die Hochschulverwaltung durch KI unterstützt werden kann. Es gibt drei konkrete Handlungsfelder im Projekt:

• Kompetenz: Lehrende, Studierende und Mitarbeitende der Verwaltung sollen gezielt durch Schulungen, Beratungen und Vernetzung unterstützt werden, um KI-Kompetenzen breit zu verankern. Zudem werden Rechtsfragen zentral für die nordrhein-westfälschen Hochschulen geklärt. Damit wird die Arbeit des Projekts KI:edu.nrw fortgesetzt.
   
• Inferenz: Es werden die Grundlagen dafür geschaffen, dass Hochschulen auf zentral gehostete Open Source- beziehungsweise Open Weight-KI-Modelle zugreifen können. Hierfür wird im Rahmen der DH.NRW auch eine gemeinsame Hardware-Infrastruktur betrieben, damit die Kontrolle über die Technologie und Daten in Hochschulhand verbleibt und die Unabhängigkeit von kommerziellen Anbietern gewährleistet ist. Hier werden die Vorarbeiten aus dem Projekt Open Source-KI.nrw genutzt.
   
• Apps: Zentraler Baustein ist eine landesweite Plattform, die Hochschulen den Zugang zu kommerziellen und nicht-kommerziellen KI-Modellen ermöglicht. Diesen im Projekt KI:connect.nrw entwickelten Dienst nutzen viele Hochschulen bereits. Das neue Projekt wird zudem einen Akzent auf faktentreue Antworten von KI-Modellen legen und in Verwaltung sowie Studium und Lehre die Programmierung von Spezialanwendungen koordinieren und umsetzen.

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Dr. Peter Salden, Leiter KI:Expertisezentrum.nrw an der Ruhr-Universität Bochum: „Ich freue mich sehr, dass das Ministerium für Kultur und Wissenschaft sowie alle 36 staatlichen Hochschulen unser Vorhaben unterstützen. Das KI:Expertisezentrum.nrw wird Kompetenzbildung, Softwareentwicklung und die Bereitstellung von Hardware-Infrastruktur unter einem Dach vereinen. Nordrhein-Westfalen schafft damit eine deutschlandweit einzigartige und in meinen Augen vorbildliche Struktur, wie man die KI-Transformation an Hochschulen gemeinschaftlich angehen kann.“

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Die Ruhr-Universität Bochum übernimmt die Konsortialführung des KI:Expertisezentrums.nrw. Weitere Beteiligte sind die RWTH Aachen, die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, die Universität zu Köln, die FernUniversität Hagen, die Technische Hochschule Köln und die Fachhochschule Dortmund.

Hintergrund

Im KI:Expertisezentrum.nrw werden die bislang geförderten Projekte KI:edu.nrw, KI:connect.nrw und Open Source-KI.nrw in einem gemeinsamen Projekt zusammengeführt. Die Synergien werden genutzt, um die KI-Aktivitäten der Hochschulen in Nordrhein-Westfalen strategisch auszurichten und die digitale Souveränität der Hochschulen auszubauen. Weitere Informationen unter: https://ki-expertisezentrum.nrw/ 

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Grundlage ist ein in 2025 veröffentlichtes Strategiepapier der DH.NRW, das die Bündelung von Kompetenzen, Ressourcen und Infrastrukturen empfiehlt. Das KI:Expertisezentrum.nrw ist das bislang größte unter dem Dach der DH.NRW geförderte Projekt (siehe auch https://ki-edu-nrw.ruhr-uni-bochum.de/neues-ki-strategiepapier-fuer-die-nrw-hochschulen/ )

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Die DH.NRW (Digitale Hochschule NRW) ist eine Kooperationsgemeinschaft von 41 Hochschulen in Nordrhein-Westfalen und dem Ministerium für Kultur und Wissenschaft. Ziel ist es, die digitale Transformation im Hochschulbereich durch gemeinsame Strategien und hochschulübergreifende digitale Servicestrukturen voranzutreiben.

Quelle: Kultur und Wissenschaft in Nordrhein-Westfalen

Das Wachtberg Forum 2026 des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR brachte erneut zahlreiche führende Vertreter aus Politik, Industrie und Forschung zusammen. Im Mittelpunkt standen sicherheitsrelevante Schlüsseltechnologien, die Deutschlands und Europas Verteidigungsfähigkeit nachhaltig stärken sollen.

Eröffnet wurde die Veranstaltung durch Institutsleiter Prof. Dr. Peter Knott. „Im Fokus des diesjährigen Wachtberg-Forums steht unsere konsequent an den Bedarfen der Streitkräfte ausgerichtete Verteidigungsforschung. Ihre Ergebnisse finden Einsatz in den Produkten der Industrie und in den Systemen der Bundeswehr. Mit unserem Wachtberg-Forum schaffen wir eine starke Plattform für den Austausch zwischen Forschung, Verteidigung und Wirtschaft“, so Knott.Einen der inhaltlichen Höhepunkte bildete der Vortrag von Ministerialdirigent Eckart Meyer-Höper, stellvertretender Abteilungsleiter Innovation und Cyber im Bundesministerium der Verteidigung. Unter dem Titel „Der Weg der Ertüchtigung zur Landes- und Bündnisverteidigung“ skizzierte er die strategischen Leitlinien der Modernisierung deutscher Verteidigungsfähigkeit. Vor dem Hintergrund der Bedeutung der Schlüsseltechnologie Radar hob er die Bedeutung des Instituts als Kompetenzträger mit hohem Vernetzungsgrad hervor. „Das Fraunhofer FHR und die hier vorhandene außergewöhnliche Exzellenz ist für uns ein wichtiges Asset im Bereich der Fähigkeitsentwicklung der Bundeswehr“, stellte Meyer-Höper fest.

Ein weiterer externer Hauptredner war Christoph Müller, Head of Hypersonic Solutions bei MBDA. In seinem Vortrag „Hyperschallfähigkeit durch Partnerschaft“ zeigte er auf, wie industrieübergreifende Kooperationen die Entwicklung moderner Hyperschallsysteme beschleunigen können. Aus Sicht des Fraunhofer FHR ergänzte Prof. Dr. Stefan Brüggenwirth, Bereichsleiter Multifunktionale Hochfrequenz- und Radarsysteme des Fraunhofer FHR, die Perspektive der vernetzten Hochfrequenz- und Radarsensorik. „Die aktuellen Krisenherde zeigen uns in aller Deutlichkeit, dass vernetzte Operationen essentiell sind. Ebenso verändert sich der Kampf im elektronischen Spektrum. Es wird sofort aufgeklärt und bekämpft. Diese Herausforderungen erfordern neue Technologien wie breitbandige, volldigitale Multifunktionsradare“, kommentierte Brüggenwirth. Dr. Jan Wessel, kommissarischer Bereichsleiter Industrielle Hochfrequenzsysteme des Fraunhofer FHR, widmete sich anschließend der technologischen Sicherheit durch vertrauenswürdige Chip-Lieferketten – ein Thema, das angesichts globaler Abhängigkeiten zunehmend sicherheitskritisch wird.

Den Abschluss der Vortragsreihe bildete eine Podiumsdiskussion zum Thema „Forschung & Technologie für die Sicherheit Deutschlands“. Unter Moderation von Generalmajor a.D. Reinhardt Zudrop diskutierten Meyer-Höper, Müller, Brüggenwirth, Wessel und Dr. Guy Kouemou (Hensoldt) über die Herausforderungen einer resilienten Sicherheitsarchitektur. Begleitet wurde das Programm von Führungen durch die Labore, technische Infrastruktur sowie durch eine umfangreiche Ausstellung, die aktuelle Forschungsprojekte des Fraunhofer FHR vorstellte. 

Quelle: Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR

Licht ist schnell, und im neuen Photoniklabor des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS übernimmt es jetzt die Arbeit auf dem Chip. Das Institut hat ein Photoniklabor in Betrieb genommen, mit dem es photonische Chiplets nun vollständig am eigenen Standort entwickeln, fertigen und charakterisieren kann: von der ersten Idee bis zum charakterisierten Bauteil, als vollwertiger Beitrag zur europäischen Pilotlinie APECS. Mehrere Schlüsselgeräte des neuen Labors konnten dabei durch Fördermittel im Rahmen der APECS-Pilotlinie angeschafft werden. Ein hochrangiger Gast aus Brüssel, Dr. Eric Fribourg-Blanc, Senior Programme Officer im Chips Joint Undertaking der Europäischen Union, besuchte das Institut und verschaffte sich persönlich ein Bild vom Stand der Dinge.

Warum photonische Chiplets für uns alle wichtig sind

Der Name klingt sperrig, doch das Prinzip photonischer Chiplets steckt längst im Alltag. Glasfaserkabel, die das Internet tragen, arbeiten nach demselben Grundprinzip: Statt elektrischer Signale transportieren diese Bauteile Licht, was deutlich höhere Geschwindigkeiten, bessere Energieeffizienz und größere Bandbreiten ermöglicht als klassische Elektronik. In hochintegrierten Systemen der Zukunft, etwa für Datenkommunikation, medizinische Sensorik oder KI-Infrastruktur, werden solche photonischen Bauelemente eine Schlüsselrolle spielen.

Das Fraunhofer IMS entwickelt und fertigt diese Chiplets im eigenen Reinraum auf 200-mm-Wafern unter industrienahen Bedingungen. Die photonisch integrierten Schaltkreise (PICs) werden dabei auf CMOS-Ausleseschaltungen realisiert. Damit verknüpft das Institut seine Kernkompetenz in der Mikroelektronik direkt mit modernster Photonik. Diese Verbindung macht das Fraunhofer IMS zu einer gefragten Adresse innerhalb der europäischen Chiplet-Landschaft.

Das neue Labor: 50 Quadratmeter, die den Unterschied machen 

Mit dem neuen Photoniklabor bringt das Fraunhofer IMS nun eine vollständige Charakterisierungsinfrastruktur in die europäische Pilotlinie ein und stärkt damit die gemeinsame Technologiebasis aller APECS-Partner. Auf knapp 50 Quadratmetern sind zwei optische Messplätze entstanden, die Charakterisierungen sowohl auf Chip- als auch auf Wafer-Ebene ermöglichen.

Der erste Messaufbau ist für die halbautomatische Charakterisierung photonischer Schaltkreise mit Gitterkopplern ausgelegt. Ein Nanopositioniersystem mit sechs Freiheitsgraden und integriertem Drehtisch positioniert optische Fasern und Faserarrays mit mikroskopischer Präzision an den Lichteinkopplungspunkten des Chips, sodass eine genaue optische Kopplung mit photonisch integrierten Schaltkreisen auf Wafern bis zu zwölf Zoll Durchmesser möglich wird. Ein zweiter Aufbau, ebenfalls mit einem Nanopositioniersystem mit sechs Freiheitsgraden ausgestattet, erlaubt die Charakterisierung von Chips mit Seitenkopplern.

Als Lichtquellen stehen ein Superkontinuum-Laser mit einem durchstimmbaren Wellenlängenbereich von 350 bis 2400 Nanometern sowie ein schmalbandiger Präzisionslaser für den Telekommunikationsbereich um 1550 Nanometer zur Verfügung. Der Superkontinuum-Laser ermöglicht zusammen mit abstimmbaren Filtern eine umfassende Charakterisierung photonischer Wafer und Chips vom UV- bis in den nahinfraroten Bereich. Ein Spektrometer ergänzt die Messinfrastruktur bei der Auswertung optischer Signale.

„Mit dem neuen Photoniklabor können wir unsere photonischen Chiplets jetzt von der ersten Idee bis zum getesteten Bauteil vollständig am eigenen Standort entwickeln und charakterisieren. Das gibt dem gesamten Netzwerk von APECS genau die Handlungsgeschwindigkeit, die ein europäisches Pilotlinienprojekt dieser Größenordnung braucht“, sagt Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke, Leiterin Technology.

Europäische Technologiesouveränität: mehr als ein Schlagwort

Der Laboraufbau ist kein Selbstzweck. Das Fraunhofer IMS ist als eines von 15 Instituten Teil der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) und zentraler Beitragender zu APECS, der Pilotlinie für „Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems“. APECS ist ein wichtiger Baustein des EU Chips Acts, um Chiplet-Innovationen voranzutreiben und die Forschungs- und Fertigungskapazitäten für Halbleiter in Europa zu erhöhen. Ziel ist der Aufbau einer umfassenden europäischen Pilotlinie um die technologische Resilienz Europas zu erhöhen, Liefer- und Wertschöpfungsketten zu sichern und Innovationen in Schlüsselbranchen voranzutreiben.

Dass das Fraunhofer IMS dabei keine Nebenrolle spielt, machte der Besuch von Dr. Fribourg-Blanc deutlich. Nach der Begrüßung durch Institutsleiter Prof. Dr. Anton Grabmaier und Vorträgen von Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke sowie Dr. Alexander Litke und Holger Kappert zu Kooperationsaktivitäten, konkreten Pilotlinienbeiträgen und geplanten Beschaffungsmaßnahmen führte der Weg direkt ins Labor, wo Europas Chipzukunft buchstäblich vermessen wird.

Besonders beachtet wurden dabei drei Kompetenzen, die das Institut in APECS einbringt: die Entwicklung und Fertigung hochintegrierter photonischer Chiplets, eine leistungsfähige Design-Infrastruktur für externe Nutzer mit maßgeschneiderten Design-Flows, Process Design Kits und Simulationsmodellen sowie die neu ausgebauten Charakterisierungskapazitäten des Instituts. Zusammen sollen diese Bausteine Unternehmen jeder Größe, vom globalen Konzern bis zum Technologie-Startup, einen niedrigschwelligen Zugang zu photonischer Chiplet-Technologie ermöglichen.

Wie das in der Praxis aussieht, zeigt ein gemeinsam entwickelter Multi-Material-Sensor-Demonstrator, bei dem photonische Chiplets des Fraunhofer IMS zusammen mit Technologien weiterer APECS-Partner auf einem gemeinsamen Interposer zu einem funktionsfähigen heterogenen System integriert werden.

„APECS ist für das Fraunhofer IMS weit mehr als ein Forschungsprojekt. Es ist ein konkreter Beitrag zur technologischen Unabhängigkeit Europas. Photonische Chiplets sind eine Schlüsseltechnologie für die Systeme von morgen, und wir freuen uns, diesen Baustein gemeinsam mit unseren europäischen Partnern zu entwickeln“, betont Dr. Alexander Litke, Projektleiter der APECS-Aktivitäten am Fraunhofer IMS.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS