Technologiefrüherkennung

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1 VDI-Technologiezentrum Elektronik der Zukunft Technologiefrüherkennung Mini-Delphi- Studie Gefördert vom

2 Elektronik der Zukunft Mini-Delphi-Studie Technologieanalyse Andreas Hoffknecht Herausgeber: Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrums Graf-Recke-Str Düsseldorf im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

3 Diese Technologieanalyse entstand im Rahmen des Vorhabens Identifikation und Bewertung von Ansätzen Zukünftiger Technologien (Förderkennzeichen NT 2113) der Abteilung Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrums im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Referat 513. Projektleitung: Durchführung: Dr. Dr. Axel Zweck Dr. Andreas Hoffknecht Der Autor möchte allen danken, die an dieser Studie mitgewirkt haben. Besonderer Dank gilt: Herrn Dr. Hoffschulz für seine Unterstützung und Diskussionsbereitschaft. Den Experten, die an dieser Delphi-Studie teilgenommen haben, nicht zuletzt auch für ihre Anmerkungen und Anregungen, die in unsere weitere Arbeit einfließen werden. Zukünftige Technologien Nr. 46 Düsseldorf, im Februar 2003 ISSN Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung überein. Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der Übersetzung. Titelbild: Illustration von James Steinberg

4 Zukünftige Technologien Consulting (ZTC) des VDI-Technologiezentrums Graf-Recke-Straße Düsseldorf Das VDI-Technologiezentrum ist als Einrichtung des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) tätig.

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6 Vorwort Das frühzeitige Erkennen technisch-wissenschaftlicher Innovationen ist im Zeitalter fortgeschrittener Industrialisierung zu einem entscheidenden strategischen Moment im internationalen Wettbewerb geworden. Rechtzeitiges Erkennen zukunftsrelevanter Technologieoptionen schafft die Voraussetzung für eine auch künftig erfolgreiche wirtschaftliche Entwicklung. Die Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrums sieht daher im frühzeitigen Identifizieren und Bewerten von Ansätzen zukunftsrelevanter Technologien eine seiner zentralen Aufgaben. Den Prozess der Technologiefrüherkennung gliedern wir im Rahmen unserer Arbeiten im Auftrag des BMBF in die Teilschritte Identifikation einer relevanten Technologie, vergleichende Bewertung des identifizierten Feldes und der sich anschließenden Formulierung und Initiierung geeigneter Umsetzungsmaßnahmen. Von besonderer Bedeutung ist eine Darstellung der Ergebnisse der Bewertungsphase der Technologiefrüherkennung. Dies nicht nur wegen einer Dokumentation unserer Arbeit sondern vor allem wegen der Nutzung der Technologieanalyse für weitere Aktivitäten im Rahmen der Umsetzung. Eine Übersicht durchgeführter Technologieanalysen findet sich auf unseren Webseiten unter Die Besonderheit der vorliegenden Dokumentation ist die Nutzung der Methode der Delphi-Befragung. Grundsätzlich wird unserer Einschätzung nach der Delphi-Methode, die letztlich eine Expertenbefragung mit Gegen-check der Ergebnisse darstellt, oft - und insbesondere im Falle komplexer sozio-ökonomischer Fragestellungen - ein zu hohes Maß an Objektivität zugemessen. Ausschlaggebend für die Wahl der Delphi-Methode im Falle des Themas Elektronik der Zukunft war ein konkreter und klar umrissener Gegenstandsbereich dessen definierte Teilgebiete vergleichend gegeneinander abgewogen wurden. Die Delphi-Befragung stellt jedoch lediglich einen Teil unserer komparativen Analyse der Elektronik der Zukunft dar. Teil B wird auf der Nutzung der von uns üblicherweise eingesetzten Instrumente wie Patentanalysen, Literaturauswertungen, Kongressauswertungen etc. basieren. Axel Zweck Leiter der Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrums

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8 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Motivation Fokus und Methodik der Studie 3 2. Die Mini-Delphi-Studie Die Delphi-Methode Die Konzeption des Fragebogens Analyse der Ergebnisse 19 I: Vergleichender Überblick 3.1 Potenzial Forschungsbedarf Kompetenzen Sonstiges Analyse der Ergebnisse 37 II: Profile der einzelnen Technologien 4.1 CMOS Verbindungs-Halbleiter SiGe Ferroelektronik Magnetoelektronik Spintronik SET RTD RSFQ Molekularelektronik Nanoröhren Polymerelektronik Quantencomputer DNA-Computing 76

9 5. Zusammenfassung Anhang Ergebnisse der 2. Runde der Mini-Delphi-Studie Literaturverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 103

10 1 1. Einleitung 1.1 Motivation Die Informations- und Kommunikationstechnik IuK gehört zu den zentralen Innovationsfeldern des 21. Jahrhunderts. Neben ihrer technischen und ökonomischen Bedeutung hat sie die Art und Weise, in der wir leben, arbeiten und unsere Freizeit gestalten, verändert und wird dies zukünftig sicher im verstärkten Maße weiter tun [BMB02]. IuK verändert unsere Welt Bauelemente pro Chip 1 E+13 Roadmap 1 E+12 1 E mm 125 mm 200 mm 300 mm DRAM 100 mm 150 mm 1 E M 1 E M µ-prozessor 1 E+08 4 M 16 M Pentium 4 1 E+07 M 256 k1 Pentium 1 E k E E+04 1 k 4 k16 k E Jahr Abb. 1. 1: Entwicklung der CMOS-Technologie. Dargestellt ist die Entwicklung der Bauelemente pro Chip bei den Mikroprozessoren und den DRAMs seit 1970 und die Prognose der weiteren Entwicklung durch die ITRS. Zusätzlich ist die Größenentwicklung der, in der Produktion verwendeten, Si-Wafer eingezeichnet. (Quellen: [ITR01], [Nor01], [Plu00]) Die Entwicklung der IuK wurde und wird ganz wesentlich vom Erfolg der Silizium-Technologie geprägt wurde Gordon E. Moore -3 Jahre später Mitbegründer der Firma Intel- von der Zeitschrift electronics zur weiteren Entwicklung der Elektronik befragt. Er formulierte -6 Jahre nach Erfindung des Integrierten Schaltkreises- ein empirisches Gesetz, das später Mooresches Gesetz genannt wurde [Man00]. Danach verdoppelt sich die Leistungsfähigkeit eines ICs und die Anzahl der Bauteile auf Mooresches Gesetz

11 2 Elektronik der Zukunft Roadblocks einem Chip -bei gleichem Preis pro Chip- alle Monate. Diese Entwicklung ist dank der fortschreitenden Miniaturisierung in der Mikroelektronik bis heute gültig, hat sich sogar noch beschleunigt und wird nach der aktuellen Version der International Technology Roadmap for Semiconductors ITRS [ITR01] noch mindestens bis zum Jahr 2016 fortschreiten (siehe Abb. 1. 1). Ein weiteres Fortschreiten dieser exponentiellen Entwicklung der CMOS-Technologie -gemäß des Mooreschen Gesetzes- erfordert das Bewältigen zahlreicher technischer Hürden, sog. Roadblocks. Der Anteil der Roadblocks, für die sich bisher keine Lösungen in der Entwicklungs- Pipeline befinden, steigt mit den Jahren an (siehe Abb. 1. 2). Zudem ist ein Anwachsen der Entwicklungsgeschwindigkeit zu beobachten. Lösungen werden daher immer schneller benötigt. Dies bedeutet nicht automatisch das nahende Ende der CMOS- Technologie, sondern beschreibt primär deren immensen Forschungsbedarf. Anzahl Lösungen in der Entwicklung Keine Lösungen bekannt Abb. 1. 2: Anzahl der Roadblocks die 2001, 2005, 2010 bzw gelöst sein müssen, unterteilt in Roadblocks für die Lösungen in der Entwicklung sind und für die bisher keine Lösungen bekannt sind (Quellen: [Nor01], [ITR01]).

12 1. Einleitung 3 Entscheidender als die technologischen Probleme der CMOS- Technologie könnte nach Ansicht vieler Experten das sogenannte 2. Mooresches Gesetz 2. Mooresche Gesetz werden, nach dem die Kosten für eine Chip-Fabrik ebenfalls exponentiell anwachsen. In dieser Situation bietet sich eventuell auch bisher weniger etablierten und entwickelten Technologien die Chance, wenigstens Teilmärkte zu Chancen für CMOS-Alternativen? besetzen. Die Studie Elektronik der Zukunft untersucht und vergleicht die Potenziale der CMOS-Technologie und alternativer Ansätze. Der vorliegende erste Teil präsentiert und analysiert die Ergebnisse einer Mini-Delphi- Studie, im Prinzip eine Expertenbefragung mit Gegen-check, zur Thematik. 1.2 Fokus und Methodik der Analyse Informations- und Kommunikationstechnologie Hardware Software Service Daten-, Signalverarbeitung Architektur, Design Herstellung User Interface Parallelität Fehlertoleranz Neuronale Netze... Lithography Nanoimprint Chemical-Assembly... Display Sprachsteuerung Gestensteuerung... Logik, Arbeitsspeicher Massenspeicher Datenübertragung Abb. 1. 3: Struktur der Informations- und Kommunikationstechnolgie IuK. Der Fokus der vorliegenden Studie liegt auf der Logik und den Arbeitsspeichern. Die IuK, mit einem Marktvolumen in Deutschland von ca. 127 Mrd. Euro im Jahr 2001[EIT01], wird von der European Information Technology Observatory EITO in die Bereiche Hardware, Software und Service un-

13 4 Elektronik der Zukunft Methodik der Studie terteilt (siehe Abb. 1. 3). Die Hardware, die einen Umsatzanteil von 35 % hat, lässt sich in die Bereiche Daten- und Signalverarbeitung, Architektur, Design, Herstellung und User Interface unterteilen. In der Abbildung sind exemplarisch einige Teilaspekte dieser Bereiche angegeben. Die Daten- und Signalverarbeitung unterteilen wir schließlich in die Bereiche Logik, Arbeitsspeicher, Massenspeicher und Datenübertragung. Der Fokus der vorliegenden Studie liegt auf der Logik und den Arbeitsspeichern. Zwischen den einzelnen Bereichen in Abb gibt es natürlich auch Querverbindungen. So hängt zum Beispiel die Weiterentwicklung der CMOS-Technologie von Fortschritten bei den Lithographieprozessen in der Herstellung ab. Die Umsetzung der Vision eines molekularen Computers wird nur mit einem wachsenden Verständnis der selbstorganisierten Herstellung realisierbar sein [Hof02]. Diese kann aus thermodynamischen Gründen nicht perfekt sein, so dass fehlertolerante Architekturen entwickelt werden müssten. Die Grenze zwischen Arbeitsspeicher und Massenspeicher könnte in Zukunft verwischen, wenn billige, nicht-flüchtige Datenspeicher zur Verfügung stehen sollten [Dre03]. Die Studie Elektronik der Zukunft bietet eine möglichst umfassende Gegenüberstellung der verschiedenen Technologien, die zukünftig bei der Realisierung von Logik- und Speicherelementen von Bedeutung sein könnten. Abb verdeutlicht die Methodik der Studie. Die Studie läßt sich in drei Komponenten unterteilen, die parallel bearbeitet wurden. A. Es wurde eine Mini-Delphi-Studie zur Thematik durchgeführt. Der vorliegende Band präsentiert und analysiert deren Ergebnisse. B. Ein Arbeitskreis aus Technologieberatern der Abteilungen Zukünftige Technologien Consulting und Physikalische Technologien des VDI-Technologiezentrums stellte die verschiedenen identifizierten Technologien in einer Vergleichstabelle gegenüber. Die Abteilung Zukünftige Technologien Consulting hat im Rahmen ihrer Technologiefrüherkennungsaktivitäten 1 für das Bundesministerium für Bil- 1 Zur grundsätzliche Methodik der Technologiefrüherkennung siehe [Zwe99], [Zwe00], [Zwe02].

14 1. Einleitung 5 dung und Forschung BMBF bereits einige Technologieanalysen mit Elektronikbezug veröffentlicht. Die Abteilung Physikalische Technologien hat als Projektträger des BMBF bereits Projekte zu einigen der betrachteten Technologien betreut. In der Vergleichstabelle wurden verschiedene Kriterien der Technologieansätze bewertet. Zu jeder Technologie wurde zusätzlich ein Datenblatt erstellt, in dem die Einträge in der Tabelle näher erläutert und belegt werden. Vergleichstabelle und Datenblätter wurden mit externen Experten für die jeweilige Technologie abgestimmt. Die Ergebnisse sind Input für den zweiten Teil der Studie Elektronik der Zukunft. Dieser beschreibt die Prinzipien, Entwicklungsstände und Lösungsbedarfe der verschiedenen Technologien, analysiert ihre Anwendungspotenziale und, soweit möglich, Marktpotenziale. Informationen über die Forschungs- und Fördersituation, sowie die Literatur- und Patententwicklung ergänzen den zweiten Teil, der in Form einer oder mehrere Technologieanalysen veröffentlicht werden soll. Die Ergebnisse der Mini-Delphi-Studie und der Fachgespräche werden ebenfalls Eingang in die Technologieanalysen finden. C. Parallel zu diesen Aktivitäten wurden und werden Fachgespräche, u.a. zur Molekularelektronik, zur III/V-Heteroepitaxie auf Si- Substraten und zu nicht-flüchtigen Datenspeichern organisiert. Zu den einzelnen Fachgesprächen werden gesonderte Ergebnisbände veröffentlicht. Diese fassen die Diskussionen der Fachgespräche zusammen, geben die Vorträge wieder und liefern weitere Hintergrundinformationen [Hof02], [Dre02], [Dre03].

15 6 Elektronik der Zukunft Mini-Delphi Elektronik der Zukunft A: Mini-Delphi-Studie Arbeitskreis Elektronik Vergleichtstabelle, Datenblätter Elektronik der Zukunft B: Technologieanalyse Expertenabstimmung C: Ergebnisbände Fachgespräche Abb : Methodik der Studie Elektronik der Zukunft Dynamische Auswahl der Technologien Die Studie in ihrer Gesamtheit sollte damit einerseits für einen breiteren Kreis, der sich über die verschiedenen Technologien informieren will, interessant sein. Andererseits werden aus ihr Handlungsoptionen für die weiteren Förderaktivitäten des BMBF abgeleitet. Auch für eine Studie, die teilweise visionäre Ansätze zu analysieren versucht, bedarf es einer kritischen Masse. Einige Ansätze, etwa optische Computer, konnten daher in der jetzigen Analyse nicht berücksichtigt werden. Die im Rahmen der vorliegenden Studie getroffene Auswahl kann sicherlich kontrovers diskutiert werden, und die Dynamik des Feldes macht sie zu einer zeitabhängigen Variablen. Neue Ansätze werden

16 1. Einleitung 7 hinzukommen, andere werden in sie gestellte Erwartungen nicht erfüllen können. Die vorgelegte Studie kann daher nicht mehr als eine Augenblickaufnahme eines stetigen Prozesses der Technologiefrüherkennung in der Elektronik darstellen. Der vorliegende Band ist folgendermaßen aufgebaut: Kapitel 2 gibt eine Einführung in die Methodik der Delphi-Studie und stellt die Konzeption des Fragebogens vor. Die Ergebnisse werden anschließend aus zwei verschiedenen Blickwinkeln vorgestellt und analysiert. Kapitel 3 beschreibt die Aussagen für die verschiedenen Kategorien der Delphi-Studie. Kapitel 4 stellt die Aussagen über die einzelnen Technologien dar. Dieses Kapitel gibt auch jeweils eine Definition der Technologien. Um die kurze und prägnante Darstellung nicht zu gefährden, war eine weitergehende Auseinandersetzung mit den einzelnen Technologien hier nicht möglich. Dem interessierten Leser sei daher die zitierte Literatur empfohlen. Eine sehr technologische Beschreibung zahlreicher hier untersuchter Technologien findet sich z.b. in [Com01]. Kapitel 5 fasst die Ergebnisse zusammen. Der Anhang beinhaltet neben einem Abkürzungsverzeichnis und dem Literaturverzeichnis auch die vollständigen Ergebnisse der Delphi-Studie in tabellarischer Form. Lediglich die Anworten zum globalen Marktpotenzial sind dort nicht angegeben. Aufgrund der hier nicht vorgegebenen Bewertungskala (siehe Seite 14) streuen die Antworten so stark, dass eine statistische Auswertung nicht sinnvoll erscheint. Über die sich abzeichnenden Tendenzen lassen sich aber sehr wohl Aussagen treffen, die in Kapitel 4 diskutiert werden. Aufbau des Bandes

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18 9 2. Mini-Delphi-Studie 2.1 Die Delphi-Methode Die Delphi-Methode wurde von Dalkey u.a. [Dal66] als Prognoseverfahren entwickelt. Sie unterscheidet sich von anderen Expertenbefragungen dadurch, dass die Umfrageergebnisse den beteiligten Experten ein- oder mehrmals zur erneuten Urteilsbildung vorgelegt werden. Die Teilnehmer erhalten damit die Möglichkeit, die eigenen Einschätzungen an den gemittelten Einschätzungen anderer Fachleute zu spiegeln und gegebenenfalls zu korrigieren. Die Delphi-Methode ist daher eine Methode, die die Mehrheitsmeinung favorisiert [VDI91]. Erfahrungsgemäß bewegen sich die unterschiedlichen Einschätzungen der Experten hauptsächlich zwischen der ersten und der zweiten Runde aufeinander zu. Die vorliegende Delphi-Befragung wurde daher auf zwei Runden beschränkt [BMF93]. Alle in diesem Band wiedergegebenen Ergebnisse beziehen sich auf die 2. Runde. Der Name der Methode geht auf den Tempel Apollos in Delphi zurück, der in der Antike als Orakelstätte berühmt wurde. Dort saß der Sage nach Pythia, die Hohe Priesterin Apollos, über einer Erdspalte, aus der berauschende Dämpfe stiegen, die sie in eine Art Trance versetzten 2. Pythias Prophezeihungen waren so vage, dass die Ratsuchenden in der Regel mehrmals zum Orakel kamen, um sich Gewissheit zu ihren Fragen zu verschaffen. Tab gibt einen nicht vollständigen Überblick über deutschsprachige Delphi-Studien. Die Delphi-Methode Das Orakel von Delphi 2 Geologen der Universität Wesleyan haben unlängst direkt unterhalb der Kultstätte eine bisher unbekannte geologische Verwerfung entdeckt, die bituminöse Kalksteinschichten trennt. Tektonische Bewegungen setzen dort gasförmige Kohlenwasserstoffe frei. Im Wasser einer nahe gelegenen Quelle konnten die Forscher sogar Ethen nachweisen, ein süßlich riechendes Gas, das früher als Narkotikum Verwendung fand [wis01], [Boe01].

19 10 Elektronik der Zukunft Titel durchgeführt von Jahr Angeschriebene Teilnehmer Rücklauf 1. Runde Rücklauf 2. Runde Deutscher Delphi-Bericht zur Entwicklung von Wissenschaft und Technik Forschungsgegenstände in der Wirtschaftsinformatik Delphi-Bericht 1995 zur Entwicklung von Wissenschaft und Technik Einschätzungen zur Zukunft der Sicherheit in der Kommunikationstechnik FhG-ISI Uni Frankfurt FhG-ISI Ladenburger TeleDelphi 1997 > Delphi '98: Studie zur globalen Entwicklung von Wissenschaft und Technik FhG-ISI 1998 ca Der Computer als Medium der Medienintegration Technologie Delphi Austria Universität Erfurt, Booz, Allen & Hamilton Institut für Technikfolgen-Abschätzung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Tab. 2. 1: Überblick über ausgewählte deutschsprachige Delphi-Studien Methodenreflexion Für eine detaillierte kritische Auseinandersetzung mit der Delphi- Methode muss an dieser Stelle auf die Literatur verwiesen werden [Zwe98]. Eine ausführliche Literaturliste findet sich unter Hier sei nur auf die Gefahr hingewiesen, dass Experten ihr eigenes Arbeitsgebiet möglicherweise überbewerten. Shrum hat in Experteninterviews eine Voreingenommenheit bei Experten nachgewiesen [Shr85]. Diese sei in weniger innovativen Gebieten stärker ausgeprägt und führe zu einem starken Beharrungsvermögen bei Gebieten mit schlechten Zukunftsaussichten [BMF93].

20 2. Mini-Delphi-Studie Konzeption des Fragebogens Der Fragebogen sollte möglichst selbst erklärend konzipiert sein und mit minimalem Zeitaufwand zu bearbeiten sein. Daher wurden die Fragestellungen nicht ausformuliert, sondern durch Felder einer Matrix repräsentiert. Der Fragebogen der 1. Runde ist in Abb abgebildet. Abb. 2. 1: Fragebogen der 1. Runde der Delphi-Studie

21 12 Elektronik der Zukunft Untersuchte Technologien Folgende Technologien wurden in der Delphi-Studie untersucht: CMOS Verbindungs-Halbleiter SiGe Ferroelektronik Magnetoelektronik Spintronik SET RTD RSFQ Molekularelektronik Nanoröhren Polymerelektronik Quantencomputer DNA-Computing. Die Differenzierung zwischen Molekularelektronik und Nanoröhren ist eher historisch als inhaltlich begründet. Das VDI-Technologiezentrum hat im Rahmen seiner Technologiefrüherkennungsaktivität bereits 1998 eine Technologieanalyse zum Anwendungspotenzial der Nanoröhren veröffentlicht [Hof98], [Hof98a] und als Projektträger des BMBF Projekte zur Thematik betreut. Zu beachten ist, dass die untersuchten CMOS-Alternativen sich in ihrer Strategie grundlegend unterscheiden. So handelt es sich zum Beispiel bei SET oder RTD um alternative Bauelementkonzepte, die theoretisch auch in Silizium realisiert werden können. Einige Ansätze, insbesondere die Spintronik, wollen unter Ausnutzung physikalischer Effekte neue Funktionalitäten einführen. Andere Technologien, wie die Polymerelektronik, versuchen im Prinzip die bei Silizium bewährten Konzepte auf neue Materialsysteme zu übertragen. Der Quantencomputer und das DNA- Computing schließlich setzen auf komplett neue Arten der Informationsverarbeitung.

22 2. Mini-Delphi-Studie 13 CMOS Nanoröhren Polymerelektronik Spintronik RSFQ Molekularelektronik Entwicklungsstand Verbindungs- Halbleiter Quantencomputer RTD Magnetoelektronik SiGe DNA-Computing SET Ferroelektronik Konzept Prototyp Markteintritt Verbreitung am Markt Abb. 2. 2: Schematische Darstellung des Entwicklungsstandes der Technologien Auch der derzeitige Entwicklungsstand der betrachteten Technologien unterscheidet sich stark. Während CMOS, die Verbindungs-Halbleiter und SiGe am Markt etabliert sind, befinden sich die Polymerelektronik und die Ferroelektronik in der Phase des Markteintritts. Die Magnetoelektronik wird zum Beispiel bei Festplattenleseköpfen schon seit einigen Jahren kommerziell genutzt. Auf dem Gebiet der Speicher soll sie in den nächsten zwei Jahren in den Markt eintreten. Die anderen Technologien befinden sich entweder im Prototypenstadium oder in der Konzeptionsphase. Einen schematischen Überblick über den Entwicklungsstand gibt Abb Zu den einzelnen Technologien wurden neben der Fachkenntnis der Teilnehmer verschiedene Kriterien zu den Kategorien potenzieller Beitrag, Forschungsbedarf, Kompetenz in den verschiedenen Wirtschaftsregionen und zukünftiges Marktpotenzial erfragt. Zusätzlich wurde nach der Bedeutung internationaler Kooperation, der Forschungsaktivität der Wirtschaft in Deutschland und der Fördersituation in Deutschland gefragt (siehe Tab. 2. 2). Kategorien und Kriterien

23 14 Elektronik der Zukunft Kategorien potenzieller Beitrag zu Forschungsbedarf Kompetenzen in Bedeutung internationaler Kooperation Forschungsaktivität der Wirtschaft in D Fördersituation in D globales Marktpotenzial Kriterien schneller Logik/schnellen Speichern hochintegrierter Elektronik Hf-Elektronik Leistungs-Elektronik Low Cost-Elektronik nicht-flüchtigen Speichern energiesparender Elektronik Hochtemperatur-Elektronik mehrwertiger/analoger Logik Optoelektronik Bauelementkonzept Materialien Schicht-, Interfacegüte Fabrikation Skalierbarkeit Systemintegration Architekturen Zuverlässigkeit D EU USA Japan SOA heute in 5 Jahren in 10 Jahren in 15 Jahren Tab. 2. 2: Abgefragte Kategorien und Kriterien der 2. Runde der Delphi-Studie Bewertungsschema Abgesehen von der Frage nach dem globalen Marktpotenzial sollten alle Fragen innerhalb einer Skala von 0-3 bewertet werden. Dabei bedeutet eine 0, dass das Kriterium als unwichtig, gering, nicht vorhanden, etc. eine 3, dass die Frage als sehr wichtig, sehr hoch, sehr ausgeprägt, etc. einschätzt wurde.

24 2. Mini-Delphi-Studie 15 Seine Fachkenntnis sollte mit 3 bewerten, wer sich aktiv mit dem entsprechenden Thema beschäftigt, auf diesem Gebiet forscht bzw. die Primärliteratur intensiv verfolgt; mit 2 bewerten, wer sich sich aktiv mit diesem Thema beschäftigt bzw. auf diesem Gebiet geforscht hat oder zu diesem Thema viel gelesen hat; mit 1 bewerten, wer Sekundärliteratur zu diesem Thema liest oder im Gespräch mit entsprechenden Fachleuten steht; mit 0 bewerten, wer sich als fachfremd im entsprechenden Technologiefeld betrachtet. Die Teilnehmer brauchten zu fachfremden Themen keine Angaben zu machen. Die Fragen zur Bedeutung internationaler Kooperation, zur Forschungsaktivität der Wirtschaft in Deutschland und der Fördersituation in Deutschland beziehen sich auf die derzeitige Situation. Beim globalen Marktpotenzial wurden die Teilnehmer gebeten, die verschiedenen Technologien relativ zum heutigen CMOS-Markt (ca. 100 Mrd. Euro) einzuschätzen. Dieser wurde mit 100 % in der Tabelle vorgegeben. Zur Orientierung wurde die bisherige exponentielle Entwicklung des CMOS-Marktes extrapoliert. Diese Extrapolation ist nur unter den Annahmen zutreffend, dass der Elektronikmarkt unverändert wachsen wird und CMOS seine Vorherrschaft wahren kann. Die sich ergebenden Werte von ca. 300 % (entspr. 300 Mrd. Euro) im Jahr 2006 und ca. 800 % (entspr. 800 Mrd. Euro) im Jahr 2011 wurden als Vorschlag grau in die Tabelle eingetragen (siehe Abb. 2. 1). Fachkenntnis Marktpotenziale Die Teilnehmer hatten die Möglichkeit, in den Kategorien potenzieller Beitrag und Forschungsbedarf jeweils bis zu zwei neue Kriterien zu benennen und zu bewerten. Dies führte dazu, dass das Kriterium Optoelektronik als potenzieller Beitrag und das Kriterium Zuverlässigkeit als Forschungsbedarf in den Fragebogen der 2. Runde zusätzlich aufgenommen wurden. Optoelektronik und Zuverlässigkeit für die 2. Runde neu aufgenommen

25 16 Elektronik der Zukunft Über 75 nationale Experten nahmen teil Es gab zudem die Möglichkeit, eine weitere Technologie einzuführen und zu bewerten. Hiervon wurde aber nur in zwei Fällen Gebrauch gemacht. Auf der Rückseite des Fragebogens hatten die Teilnehmer zudem ausreichend Platz zu weiteren Anmerkungen oder Kritik im Volltext. Für die erste Runde der Mini-Delphi wurden 330 nationale Experten angeschrieben. Davon kamen ca. 17 % aus der Industrie und 83 % aus Universitäten und Forschungsinstituten. Von den Befragten nahmen 76 an der 1. Runde teil. Dies entspricht einer Rücklaufquote von 23 %. Verteilung der Fachkenntnis 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CMOS (64) Verbdgs.-Halbleiter (63) SiGe (62) Ferroelektronik (63) Spintronik (64) SET (62) RTD (60) RSFQ (61) Molekularelektronik (63) Nanoröhren (63) Polymerelektronik (63) Quantencomputer (61) DNA-Computing (61) Magnetoelektronik (64) Fachk. 3 Fachk. 2 Fachk. 1 Fachk. 0 Abb. 2. 3: Relative Verteilung der Fachkenntnis der Teilnehmer für die untersuchten Technologien. Die Teilnehmer sollten ihre Fachkenntnis mit 0 bewerten, falls Sie sich als fachfremd einschätzen und mit 3 bewerten, falls sie sich aktiv mit der Thematik beschäftigen. Die genaue Definition der Einstufungen Fachkenntnis 1 und Fachkenntnis 2 wird im Text gegeben. Die hinter den Technologien eingeklammerten Zahlen geben an, wieviele Experten sich zu der jeweiligen Technologie geäußert haben. Abb stellt dar, wie sich die von den Teilnehmer selbst eingeschätzte Fachkenntnis bei den jeweiligen Technologien verteilt. Es fällt auf, dass die Teilnehmer bei den anwendungsnahen Technologien eine höhere Fachkenntnis besitzen. Spitzenreiter ist die CMOS-Technologie, bei der 69 % ihre Fachkenntnis mit 2 oder 3 einschätzten.

26 2. Mini-Delphi-Studie 17 Für die 2. Runde wurde den Teilnehmern ein Fragebogen mit den Ergebnissen der 1. Runde, zum Vergleich ihr eigener Fragebogen der 1. Runde und ein modifizierter Fragebogen der 2. Runde zugesandt. Um den Teilnehmern Arbeit zu sparen, brauchten Sie in dem neuen Fragebogen nur Felder auszufüllen, die sie im Vergleich zur ersten Runde ändern wollten. Insgesamt machten von dieser Möglichtkeit ca. 46 % der Teilnehmer der ersten Runde Gebrauch. 30% 25% 20% Fachk. 3 Fachk. 2 Fachk. 1 15% 10% 5% 0% CMOS Verbindungs-Halbleiter SiGe Ferroelektronik Magnetoelektronik Spintronik SET RTD RSFQ Molekularelektronik Nanoröhren Polymerelektronik Quantencomputer DNA-Computing Abb. 2. 4: Relativer Anteil der Teilnehmer, die in der 2. Runde Änderungen vorgenommen haben. Die Angaben sind für jede Technologie nach der Fachkenntnis der Teilnehmer aufgeschlüsselt. In Abb ist für die verschiedenen Technologien dargestellt, wieviele Teilnehmer (relativ zur Gesamtzahl der Teilnehmer bei der jeweiligen Technologie) in der 2. Runde Antworten verändern haben. Angaben zu den in der 2. Runde neu eingeführten Kriterien Optoelektronik als potenzieller Beitrag und Zuverlässigkeit als Forschungsbedarf wurden im Diagramm nicht berücksichigt. Insgesamt wurden 5,9 % der Antworten der 1. Runde in der zweiten Runde modifiziert. Dabei verbesserte sich der Mittelwert der Standardabweichungen (ohne Berücksichtung der Angaben zur Fachkenntnis und zum Marktpotenzial) um 3,4 % (Berücksichtigung aller Teilnehmer) bzw. 4,1 % (Berücksichtigung der Teilnehmer mit Fachkenntnis 2 oder 3). Jede 17. Antwort wurde in der 2. Runde modifiziert.

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28 19 3. Analyse der Ergebnisse I: Vergleichender Überblick Dieses Kapitel analysiert die Ergebnisse der Delphi-Studie unter der Fragestellung, welche Technologien für die verschiedenen Kategorien welche Bedeutung haben. Es gibt Anworten auf Fragen wie: Welche Technologie kann nach Einschätzung der Experten den größten Beitrag, z. B für das Kriterium Hochfrequenz-Elektronik, leisten? Wo liegen die Stärken Deutschlands? Wo liegen Schwerpunkte der Forschungsaktivität der deutschen Wirtschaft? 3.1 Potenzial In der Delphi-Studie wurde gefragt, welchen potenziellen Beitrag die verschiedenen Technologien zu folgenden Anwendungsfeldern leisten können: schnelle Logik/schnelle Speicher hochintegrierte Elektronik Hf-Elektronik Leistungs-Elektronik Low Cost-Elektronik nicht-flüchtige Speicher energiesparende Elektronik Hochtemperatur-Elektronik mehrwertige/analoge Logik Optoelektronik (in 2. Runde). Die Ergebnisse sind in Abb bis Abb dargestellt. Die Technologien wurden in den Grafiken nach Ihrem Beitrag sortiert. Die wichtigsten Aussagen der Diagramme sollen im Folgenden kurz zusammengefasst werden:

29 20 Elektronik der Zukunft Kernaussagen zu potenziellen Beiträgen der Technologien Die CMOS-Technologie befindet sich nur beim potenziellen Beitrag für die Optoelektronik nicht unter den Top 3. Der Polymerelektronik wird lediglich bei der Low Cost-Elektronik und der Optoelektronik ein großes Potenzial eingeräumt. Als Beitrag zur Leistungs-Elektronik erhält die CMOS-Technologie die höchste Bewertung. Es zeichnet sich deutlich ab, dass neben CMOS, Verbindungs-Halbleitern im Allgemeinen und SiGe im Besonderen keiner weiteren Technologie das Potenzial eingeräumt wird, in der Leistungs-Elektronik eine Rolle zu spielen (siehe Abb. 3. 4). Auf dem Gebiet Low Cost-Elektronik werden die Polymerelektronik und die CMOS-Technologie als potent angesehen. Die Polymerelektronik wurde mit geringem Vorsprung höher bewertet (Abb. 3. 5). Bei den nicht-flüchtigen Speichern liegen die Magnetoelektronik und die Ferroelektronik annähernd gleich auf 3 (siehe Abb. 3. 6). Für die Hochtemperatur-Elektronik wird erwartungsgemäß den Verbindungs-Halbleitern der höchste Beitrag zugetraut. Es fällt allerdings das generell sehr niedrige Bewertungsniveau auf (siehe Abb. 3. 8). schnelle Logik, schnelle Speicher Bewertung CMOS SiGe RSFQ Quantencomputer Verbindungs-Halbleiter RTD Magnetoelektronik Ferroelektronik Spintronik Molekularelektronik Nanoröhren SET DNA-Computing Polymerelektronik Abb. 3. 1: Bewertung des Potenziellen Beitrags zu schneller Logik bzw. schnellen Speichern. Die Bewertungsskala reicht von 0 (niedrig, unwichtig,...) bis 3 (hoch, wichtig,...). Die Technologien sind im Diagramm nach ihrer Bewertung geordnet. 3 Alternative Ansätze wie Phase Change-NVM werden von der Delphi-Studie noch nicht berüchsichtigt. Siehe hierzu auch [Dre03].

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