Forschung und Innovation sind Bestandteil des Klimaschutzprogramms 2030 der Bundesregierung, darunter die ­Maßnahme Green ICT. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beabsichtigt im Rahmen dieser Maßnahme, Forschung für eine Elektronik zu fördern, die den Energieverbrauch und damit die Treibhausgasemis­sionen (CO2-Fußabdruck) der Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) senkt. Für einen signifikanten und messbaren Beitrag der IKT zur Erreichung der Klimaschutzziele des Übereinkommens von Paris ist es notwendig, über die Steigerung der Energieeffizienz einzelner Komponenten hinaus erhebliche Energieeinsparungen für verteilte und vernetzte IKT-Systeme zu erreichen. Innovative Elektronik für energiesparsame IKT-Systeme soll zudem ein Wettbewerbsvorteil für Unternehmen aus Deutschland werden.

Das BMBF fördert auf Basis dieser Richtlinie Hochschulen und Forschungseinrichtungen bei der wissenschaftlich fundierten Ausarbeitung von Konzepten für Verbundvorhaben zur Forschung und Entwicklung (FuE). Diese Konzepte bzw. die zu gestaltenden FuE-Verbundvorhaben sollen zum Ziel haben, durch Elektronik für innovative und energiesparsame IKT-Systeme einen erheblichen Beitrag zur Senkung des Energieverbrauchs und damit des CO2-Fußabdrucks von Digitaltechnologien zu leisten.

Die Digitalisierung durchdringt zunehmend die Alltags- und Arbeitswelt – ein Trend, der absehbar nicht nachlassen wird. Dabei kann die Digitalisierung in vielen Bereichen durch intelligente Steuerung von Geräten, Anlagen, Prozessen und Netzen einen erheblichen Beitrag zur Energieeinsparung und damit zur Reduktion von CO2-Emissionen leisten. Andererseits wird mit fortschreitender Verbreitung von Sensorik, Elektronik und Künstlicher Intelligenz (KI) der ­Energieverbrauch durch die Digitaltechnologien selbst zunehmen. Studien zufolge soll deren Anteil am Welt-Gesamtenergieverbrauch von derzeit ca. 3 % bis 2025 auf über 5 % steigen, wenn nicht mit deutlich verbesserter Energieeffizienz gegengesteuert wird. Um den Energieverbrauch von Rechenzentren, dem Internet der Dinge (IoT) und ­Anwendungen der KI zu reduzieren, sind erhebliche Fortschritte in der Mikro- und Leistungselektronik, einschließlich der Sensorik, nötig. Dabei spielt neben der Steigerung der Energieeffizienz der Einzelkomponenten auch zunehmend die Betrachtung der Wechselwirkungen im vernetzten Gesamtsystem eine entscheidende Rolle. Moderne vernetzte IKT-Systeme besitzen neben den zentralen Datenverarbeitungs-Infrastrukturen (Cloud) zunehmend Kapazitäten zur Sammlung und Verarbeitung von Informationen am Rand des Netzwerks (Edge) sowie Systeme für den Datentransfer zwischen Cloud und Edge. Durch kurze räumliche Distanzen zwischen Datenverarbeitungskapazitäten und Sensorknoten sowie Endgeräten werden zunehmend Echtzeitanwendungen ermöglicht. Die Entwicklung von Elektronik für energiesparsame IKT kann daher insbesondere in Verbindung mit Edge-Cloud-Lösungen eine Hebelwirkung für die Eindämmung des Klimawandels entfalten.

Diese Richtlinie trägt zur Umsetzung des Klimaschutzprogramms, der Hightech-Strategie 2025 der Bundesregierung (http://www.hightechstrategie.de) und des Rahmenprogramms „Mikroelektronik aus Deutschland – Innovationstreiber der Digitalisierung“ (http://www.elektronikforschung.de) bei.

Gegenstand der Förderung

Gefördert werden im Wettbewerb Einzelvorhaben oder Verbünde aus Hochschulen und/oder außeruniversitären ­Forschungseinrichtungen. Gefördert werden nur das zur Erarbeitung der Konzepte erforderliche wissenschaftliche Personal, Verbrauchsmaterialien und gegebenenfalls Aufträge an Dritte in geringem Umfang sowie zwingend erforderliche Reisen zur Bildung der potenziellen Verbundvorhaben oder zur Teilnahme an Veranstaltungen im Rahmen der Fördermaßnahme, zu denen das BMBF einlädt. Die Wettbewerbsteilnehmer erarbeiten ein wissenschaftlich fundiertes Konzept für ein FuE-Verbundprojekt, das sich durch eine überzeugende Industriebeteiligung auszeichnen muss. Ziel des Verbundprojekts ist die Demonstration eines innovativen IKT-Systems, basierend auf einer Edge-Cloud-Lösung für eine wirtschaftlich und gesellschaftlich relevante Anwendung mit erheblichem Potenzial zur Energie- bzw. CO2-Einsparung. Als Edge-Cloud-Lösung werden hier elektronische Systeme zur Sammlung und Verarbeitung von Informationen am Rand des Netzwerks zu intelligenten Sensorknoten und (mobilen) Endgeräten einschließlich der erforderlichen Datenkommunikation verstanden. Das Ziel des konzipierten FuE-Projekts muss den Stand der Technik deutlich übertreffen. Der Lösungsansatz soll das Gesamtsystem der Anwendung von den vernetzten Endgeräten bis zu den zentralen Serversystemen in die Betrachtung des Energieeinsparpotenzials einbeziehen. Die angestrebte Lösung muss auf einer Kerninnovation im Bereich der Elektronik-Hardware aufbauen.

Dabei besteht insbesondere, aber nicht ausschließlich, Forschungsbedarf in den folgenden Bereichen:

• energiesparende Mikroelektronik und Spezialprozessoren,
• energiesparende Sensorik und sensornahe Datenverarbeitung,
• intelligente Leistungselektronik für hohe Energie-Effizienz
• hocheffiziente Ultra-Low-Power-Leistungselektronik bis hin zur Energieautarkie,
• Co-Design von energiesparenden Algorithmen/Software und dafür optimierte Elektronik.

Die Lösung ist bereits mit Vorlage der Skizze (siehe Nummer 7.2.1) für eine relevante Anwendung technisch zu ­spezifizieren, damit FuE-Chancen und -Risiken erkennbar sind. Die Hebelwirkung ist anhand eines Vergleichs mit dem derzeitigen Stand der Technik für diese Anwendung (Referenzsystem) zu erläutern. Relevanz und Hebelwirkung der Anwendung müssen von einem oder mehreren Industrieunternehmen in einem separaten Motivationsschreiben dargelegt und begründet werden. Im Wettbewerb begleiten diese Unternehmen als assoziierte Partner aktiv die ­technische Spezifizierung und stellen die Umsetzbarkeit des Lösungsansatzes für die Anwendung sicher. Außerdem unterstützen sie die Potenzialanalyse zur Energieeinsparung, indem sie Zugang zu benötigten Daten, Komponenten und Anlagen gewähren. Die Bereitschaft zur assoziierten Beteiligung am Wettbewerb mit den damit verbundenen Aufgaben soll bereits mit Vorlage der Skizze durch Motivationsschreiben bekundet werden. Im Laufe des Wettbewerbs ist für das konzipierte FuE-Verbundvorhaben ein Konsortium mit starker und überzeugender Industriebeteiligung aufzusetzen. Dieses kann über die bereits im Wettbewerb assoziiert beteiligten Unternehmen hinausgehen. Um eine zügige Weiterverfolgung der Projekte der Wettbewerbssieger zu gewährleisten, muss die Aufgabenverteilung und Rolle der zukünftigen Verbundpartner im Konzept spezifiziert werden. Außerdem sollen die zur Durchführung des zu konzipierenden FuE-Verbundvorhabens notwendigen FuE-Arbeiten dem aktuellen Stand der Forschung und Technik gegenübergestellt und in Form eines Projektplans ausführlich beschrieben werden.

Die Hebelwirkung hinsichtlich des Energie- bzw. CO2-Einsparpotenzials gegenüber dem Referenzsystem (siehe oben) muss in einer detaillierten Potenzialanalyse wissenschaftlich fundiert nachgewiesen werden. Dafür muss für den ­relevanten Anwendungsfall der Energieverbrauch und CO2-Fußabdruck des Edge-Cloud-Systems zunächst für das Referenzsystem ermittelt werden. Im Vergleich dazu muss dann das Einsparpotenzial bei einer Umsetzung des ­Lösungsansatzes errechnet werden. Zum Ende des konzipierten FuE-Verbundvorhabens sollen durch Berechnungen und nach Möglichkeit auch mittels reproduzierbarer Messungen am Gesamtsystem das Einsparpotenzial nachge­wiesen werden.

Zwecks Vergleichbarkeit dieser Potenzialanalysen werden nach dem Start Hinweise zur wissenschaftlich fundierten Praxis gegeben. Dazu wird der Zuwendungsgeber sich von unabhängigen Expertinnen und Experten beraten lassen und zu einem Workshop einladen. Die Wettbewerber werden aufgefordert, im Rahmen des Workshops wissenschaftlich fundierte Vorschläge zum prinzipiellen Berechnungsverfahren einzubringen. Die Ergebnisse des Workshops ­werden für die Auswahl der Siegerkonzepte und zur Bewertung der wissenschaftlichen und technischen Qualität des Lösungsansatzes vom Zuwendungsgeber berücksichtigt.

Von den zum Stichtag eingereichten Skizzen werden bis zu zehn Vorschläge zur Förderung für den Wettbewerb nach den in Nummer 7.2.2 genannten Kriterien ausgewählt. Diese erarbeiten innerhalb von neun Monaten parallel ihre jeweiligen FuE-Konzepte. Die Ergebnisse werden im Anschluss evaluiert und die Gewinner bekannt gegeben. Details zum Ablauf sind in Nummer 7.2.3 dargestellt.

Nicht förderfähig sind Lösungsansätze, die nicht auf einer Kerninnovation im Bereich der Elektronik aufbauen.

Bekanntmachung der Richtlinie zur Förderung des Innovationswettbewerbs „Elektronik für energiesparsame Informations- und Kommunikationstechnik“ im Rahmen der Initiative Green ICT