Embedded Technologien

Embedded Systems & Sensor Technology: Innovations-Turbo des 21. Jahrhunderts

Embedded-Technologien sind unverzichtbar für die Bewältigung gesellschaftspolitischer Herausforderungen wie Klimaschutz, demographische Entwicklung oder die Steigerung der Ressourceneffizienz. Außerdem bilden sie in wichtigen Industriezweigen die Basis für die Mehrzahl der Neuerungen.

Computer verschwinden aus unserer Wahrnehmung und sind gleichzeitig allgegenwärtig. Denn durch die Fortschritte in der Mikroelektronik lassen sich intelligente Funktionen nun dezentral, überall dort implementiert, wo sie gebraucht werden. Derartige „eingebettete Systeme“ (Embedded Systems) operieren in der Regel mit einem hohen Maß an Autonomie. Das betrifft die Erfassung (Sensorik) der Umwelt, die Interaktion (Aktorik) mit ihr und die Kommunikation mit anderen embedded Systemen oder Rechnern. Für die geforderten Funktionalitäten sorgen dabei zunehmend Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) und Mustererkennung.

Die Datenverarbeitung erfolgt dabei in einem zentralen Rechenzentrum (Cloud) oder immer häufiger am Entstehungsort selbst (Edge Computing). Letzteres bietet sich besonders bei zeit- und sicherheitskritischen Anwendungen an, trägt aber auch zur Reduzierung der zu übertragenden immensen Datenmengen bei. In einer weitestgehend automatisierten, adaptiven Produktion oder bei autonomen Fahrzeugen erweist sich die direkte Verarbeitung der Daten im Gerät sogar als essentiell, etwa um drohende Maschinenausfälle oder Unfälle zu vermeiden. Voraussetzung dafür ist allerdings eine speziell auf knappe Ressourcen zugeschnittene „Intelligenz“.

AI für Embedded Systems

So lassen sich etwa mit AIfES (Artificial Intelligence for Embedded Systems) vom Fraunhofer IMS kleine, intelligente Mikroelektroniken und Sensoren entwickeln, die keine Verbindung zu einer Cloud benötigen und in der Lage sind selbst zu lernen. AIfES beinhaltet ein voll konfigurierbares künstliches neuronales Netz (KNN) mit Feedforward-Struktur, das selbst tiefe neuronale Netze möglich macht.

Teaser image of YouTube video

Schutz vor Cyber-Attacken

Da bei AIfES die Verarbeitung „offline“ auf dem Gerät stattfindet, müssen keine sensiblen Daten übertragen werden. Die Privatsphäre ist also gesichert. Um die vernetzten und immer komplexer werdenden Systeme aber vor Hackern zu schützen, sind präventive und nahtlos integrierbare Sicherheitslösungen nötig. Und das gilt nicht nur für Unternehmen, sondern auch für die Politik. Man denke nur an Angriffe auf kritische Infrastruktur etwa im Energiesektor oder Connected-Cars-Anwendungen. Klassische Cyber-Security-Ansätze wie Antivirensoftware oder Patches und Updates funktionieren für IoT-Geräte allerdings nicht. Sicherheitsanforderungen für Embedded Systeme müssen deshalb schon bei der Entwicklung berücksichtigt werden (Security by Design).

Sicherer und schneller mit 5G

Deutlich sicherer soll die Übertragung künftig über 5G erfolgen. Die Vernetzung von Maschinen und Geräten mit dem neuen Mobilfunkstandard wird aber in der Hauptsache wegen seiner ultra kurzen Latenzzeiten und hohen Datenübertragungsraten Fahrt aufnehmen. Dazu kommt ein viel geringerer Energieverbrauch.

Das Analystenhaus Gartner erwartet, dass die 3,5 Millionen 5G-IoT-Knoten in diesem Jahr bis 2023 auf 49 Millionen Stück steigen werden. Ab 2023 sollen dann Embedded Systeme in Connected Cars den Löwenanteil ausmachen. Bis dahin sind Outdoor-Überwachungskameras die Haupttreiber des Wachstums. 5G wird zukünftig aber auch in Sensor-Cloud-Systemen zum Einsatz kommen, um hochdynamische Produktionsprozesse gründlicher zu überwachen und adaptiv zu regeln.