IT & Software·
business-on.de Redaktion
business-on.de Redaktion
·
10. Februar 2022

Sensoren lernen das Denken

Im Fraunhofer-Leitprojekt NeurOSmart forscht das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS zusammen mit vier weiteren Instituten (ISIT, IMS, IWU, IAIS) unter Leitung des Fraunhofer ISIT gemeinsam an besonders energieeffizienten und intelligenten Sensoren für die nächste Generation autonomer Systeme. Dabei werden die Brücken zwischen Wahrnehmung und Informationsverarbeitung durch innovative Elektronik neu definiert.

Intelligente Maschinen werden zunehmender Bestandteil unseres Alltages. Naheliegende Beispiele sind das autonome Fahren oder etwa moderne Roboter-Staubsauger im Haushalt. Doch auch dort, wo wir nicht direkt mit ihnen in den Kontakt kommen, sind selbstständig arbeitende Roboter zunehmend unerlässlich: Als flinke und unermüdliche Helfer in Logistikzentren oder als präzise und starke Partner in Fertigungsumgebungen.

Um in diesen Anwendungen autonom, also möglichst eigenständig ohne Überwachung durch Menschen, arbeiten zu können, sind diese Roboter mit Sensoren und Elektronik gespickt, die es ihnen ermöglichen, ihre Umgebung wahrzunehmen und auch unvorhergesehene Situationen eigenständig zu bewältigen. Je komplizierter das Aufgabengebiet, desto intelligenter und agiler muss die Maschine sein. Dies führt dazu, dass immer mehr und verschiedene Sensoren, etwa für die Abstandmessung, für die Bewegungserfassung oder die Druckbestimmung bei Berührungen, kombiniert werden und die Elektronik und Computertechnik für die Erfassung und Verarbeitung der Daten immer leistungsstärker sein muss.

Allerdings geht dieser Trend zu mobilen Supercomputern mit einem erheblich steigenden Energieverbrauch einher. Besonders bei mobilen Systemen führt dies zu einer verkürzten Einsatzdauer oder Reichweite und stößt laut aktuellen Prognosen in den nächsten Jahrzehnten gar an die Grenzen der weltweiten Energieerzeugung.

Um dieser Eskalation entgegenzuwirken, setzten die in NeurOSmart beteiligten Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher auf einen neuromorphen In-Memory-Beschleuniger, der auf den jeweiligen Sensor maßgeschneidert wird. Als Vorbild für die zu entwickelnde Elektronik dient das menschliche Gehirn, denn dieses ist trotz seiner enormen Rechenleistung sehr energiesparend beim Treffen von Entscheidungen.

»Diese Art der Datenverarbeitung, also des Denkens, wird durch eine neuartige analoge Computer-Speichertechnologie realisiert, die zudem in der Lage ist, Rechenoperationen durchzuführen, wenn Daten in dem System neu erfasst werden«, erläutert der ISIT-Wissenschaftler und Projektleiter Dr. Michael Mensing: »In der Praxis wird dies genutzt, um Objekte und ihr Verhalten exakt und in Echtzeit zu erkennen.« Bisher sind für diese Funktionsweise mehrere getrennt entwickelte Komponenten in Computern und eine besonders energieaufwändige Kommunikation zwischen ihnen nötig.

Unterstrichen werden die Vorteile des neuen Ansatzes durch die parallele Entwicklung besonders kleiner und effizienter Modelle für die Objekterkennung und -klassifizierung, die speziell auf den Sensor, die neuen Möglichkeiten der direkt integrierten Elektronik und ihre Anwendungen angepasst werden. Das Resultat ist eine schnelle Reaktionszeit, erhöhter Datenschutz und erhebliche Energieeinsparung gegenüber dem aktuellen Trend von praxisfernen oder cloudbasierten Lösungen, die bevorzugt auf immer größere, energieintensivere Modelle zurückgreifen.

In der Projektlaufzeit von vier Jahren mit einem Finanzvolumen von acht Millionen Euro soll dieser Ansatz erstmals mit einem komplexen bei Fraunhofer entwickelten LiDAR-System kombiniert und in anwendungsnaher Umgebung erprobt werden. Dieses Sensorsystem ist ein entscheidender Bestandteil autonom arbeitender Systeme, da er seine Umgebung mithilfe detaillierter Abstandsinformationen auch bei schlechtem Wetter und über einen weiten Entfernungsbereich erkennt. Als erste Probe der neuartigen Sensoren werden sie in den nächsten Jahren in Robotersysteme integriert, die ihren menschlichen Kolleginnen und Kollegen in Fertigungsumgebungen unterstützen, beispielsweise durch das Bewegen von schweren Lasten oder Anreichen von Komponenten.

Innerhalb des Projekts entwickelt das Fraunhofer IPMS den Schaltkreis des neuromorphen Beschleunigers. Den Kern des analogen Beschleunigers bilden dabei moderne HfO2-basierte Crossbars. Damit lassen sich die komplexen, oft iterativen digitalen Berechnungen von KI-Modellen (z.B. in CNNs), die sonst mit hohem Energieaufwand auf generalisierten Grafikkarten berechnet werden müssen, auf energieeffiziente Speicheroperationen im Schaltkreis abbilden. Für die interne Steuerung der Datenflüsse wird der RISC-V-Prozessorkern EMSA5 mit direkten Schnittstellen zur analogen Beschleunigerbaugruppe und übergeordneten Systemen sowie Fehlerschutzmechanismen implementiert. Die Erforschung einer softwareprogrammierbaren Systemarchitektur wird einen flexiblen Einsatz des Schaltkreises in einer Vielzahl von Anwendungsfällen ermöglichen.

Weiterhin trainiert das Fraunhofer IPMS gemeinsam mit dem Fraunhofer IAIS den Schaltkreis des neuromorphen Beschleunigers. Dafür wird in einem ersten Schritt das neuronale Netzmodell für die LiDAR-Datenauswertung erforscht. Ziel ist dabei die automatisierte Abbildung auf der verfügbaren Hardwaretopologie sowie deren Übertragung auf ein Schaltkreisdesign. Im System analysiert der Schaltkreis vorverarbeitete LiDAR-Daten. Dabei erfolgt die Kommunikation zwischen Vorverarbeitung (FPGA) und Beschleuniger-Schaltkreis über eine echtzeitfähige Highspeed-Ethernet-Schnittstelle.

Abschließend ist das Fraunhofer IPMS gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT an der Validierung der neuen Speicherzellen-Ansätze für zukünftige Beschleunigerumsetzungen beteiligt.

Bildquellen:
    Teilen:
    Weitere Artikel
    Fenster sanieren ohne Komplettaustausch: Wann der Scheibentausch die wirtschaftlichere Lösung ist
    Wirtschaftslexikon
    Fenster sanieren ohne Komplettaustausch: Wann der Scheibentausch die wirtschaftlichere Lösung ist

    Ein Scheibenaustausch ist oft die wirtschaftlichere Lösung als der komplette Fenstertausch vorausgesetzt, Ihr Rahmen ist noch intakt, verzugsfrei und dicht. Steigende Energiepreise und ein angespannter Handwerkermarkt zwingen Eigentümer und Unternehmer dazu, ihre Sanierungsbudgets genauer zu planen. Bei alten Fenstern denken viele sofort an einen kompletten Austausch aller Elemente, dabei liegt eine günstigere Alternative oft näher: der gezielte Austausch der Glasscheibe. Wenn Sie den Zustand Ihrer Verglasung richtig einschätzen, können Sie Kosten sparen und die Energieeffizienz trotzdem spürbar verbessern. Der folgende Beitrag ordnet ein, wann sich dieser Mittelweg lohnt, worauf es bei der Entscheidung ankommt und wie ein professioneller Scheibenaustausch abläuft. Warum die Verglasung oft die unterschätzte Stellschraube ist

    6 Min. LesezeitLesen
    Wenn Wasser zum Wirtschaftsfaktor wird: Worauf Unternehmen bei Sanitäranlagen achten müssen
    Wirtschaft
    Wenn Wasser zum Wirtschaftsfaktor wird: Worauf Unternehmen bei Sanitäranlagen achten müssen

    Im täglichen Trubel eines Unternehmens gerät ein Bereich oft in den Hintergrund: die Sanitäranlagen. Solange das Wasser fließt und alles funktioniert, schenkt kaum jemand der Gebäudetechnik große Beachtung. Doch für einen reibungslosen Betriebsablauf und die Einhaltung aktueller Hygienevorschriften ist eine zuverlässige Infrastruktur unerlässlich. Fallen Anlagen aus oder arbeiten sie ineffizient, führt das schnell zu ungeplanten Störungen im Arbeitsalltag. Umso wichtiger ist es für Betriebe, vorausschauend zu planen. Im folgenden Interview erklärt ein Branchenexperte, warum moderne Technik und die Wahl der richtigen Fachbetriebe für Unternehmen heute ein handfester Wirtschaftsfaktor sind.

    4 Min. LesezeitLesen
    Naturkosmetik-Sonnencreme im Fachhandel: Worauf Apotheken und Wellness-Anbieter bei der Anbieterwahl achten sollten
    Verbraucher
    Naturkosmetik-Sonnencreme im Fachhandel: Worauf Apotheken und Wellness-Anbieter bei der Anbieterwahl achten sollten

    Sonnenschutz ist längst kein reines Saisongeschäft mehr. Kundinnen und Kunden fragen in Apotheken, Drogerien und bei Wellness-Anbietern zunehmend gezielt nach zertifizierter Naturkosmetik statt nach Massenware aus dem Regal. Für den Handel bedeutet das eine Chance aber auch die Aufgabe, geeignete Lieferanten zu finden, die Herkunft, Inhaltsstoffe und Belieferung glaubwürdig belegen können. Wenn Sie Ihr Sortiment erweitern wollen, sollten Sie deshalb genau hinsehen: Welche Kriterien zählen bei der Anbieterwahl, und wie sieht ein Händlerprogramm aus, das Ihnen den Einstieg wirklich erleichtert? Die kurze Antwort vorweg: Entscheidend sind transparente Inhaltsstoffe, nachweisbare Herkunft, belastbare Zertifizierungen, kalkulierbare Lieferkonditionen und konkrete Unterstützung beim Verkauf. Dieser Beitrag zeigt, worauf es im Detail ankommt und woran Sie geeignete Anbieter erkennen. Warum Naturkosmetik im Sonnenschutz zum Handelsthema wird Das Bewusstsein für Inhaltsstoffe in der Hautpflege ist in den vergangenen Jahren deutlich gewachsen internationale Trends wie der K-Beauty-Boom um koreanische Kosmetik und ihre Wirkstoffe haben diese Entwicklung zusätzlich befeuert. Was im Lebensmittelbereich längst selbstverständlich ist, nämlich ein kritischer Blick auf Herkunft und Zusammensetzung, hat sich auch auf Kosmetik übertragen. Beim Sonnenschutz zeigt sich das besonders deutlich: Verbraucherinnen und Verbraucher fragen nach UV-Filtern, nach der Verträglichkeit bei empfindlicher Haut und danach, ob Pflanzenextrakte aus kontrolliert biologischem Anbau stammen. Produkte mit Naturkosmetik-Anspruch gelten vielen Kundinnen und Kunden dabei als die konsequentere Wahl, weil sie Inhaltsstoffe natürlichen Ursprungs und nachvollziehbare Standards verbinden.

    6 Min. LesezeitLesen
    Zur Startseite