Fälschungssichere Elektronikbauteile 28.07.2021, 10:59 Uhr

Elektronischer „Fingerabdruck“ für die technologische Souveränität

Eine eindeutige Kennzeichnung soll Chips und Microcontroller künftig sicherer machen: Für die Forschungsarbeiten zu diesem Thema erhielt die Universität Ulm kürzlich aus der BMBF-Leitinitiative „Vertrauenswürdige Elektronik“ eine Förderung von einer Million Euro.

Im Fokus der Leitinitiative "Vertrauenswürdige Elektronik" steht die Sicherheit elektronischer Bauteile, im Bild ist ein Mikrochip zu sehen. 
Foto: Frank Hagemeyer/Sabine Geller, Uni Ulm

Im Fokus der Leitinitiative "Vertrauenswürdige Elektronik" steht die Sicherheit elektronischer Bauteile, im Bild ist ein Mikrochip zu sehen.

Foto: Frank Hagemeyer/Sabine Geller, Uni Ulm

Autonom fahrende Fahrzeuge, Produktionsmaschinen, Medizintechnik, Telekommunikation – all das ist ohne innovative Elektroniksysteme nicht machbar. Mikrochips sind zwar kleine unscheinbare Komponenten, aber in vielen Branchen sind sie unerlässlich für die Funktionserfüllung der Technik. Und spätestens seit dem Frühjahr 2020 sind sie „in aller Munde“: Die Versorgungssicherheit in Deutschland war nicht mehr gegeben und viele Bänder zum Beispiel in der Automobilindustrie standen still. Denn die elektronischen Bauteile aus Fernost gingen in andere Branchen und zum Teil auch in andere Länder, die keinen so hohen coronabedingten Rückgang der Produktion verzeichneten. So hat der Volkswagen-Konzern kürzlich bilanziert, dass er allein im ersten Quartal 2021 rund 100.000 Autos wegen fehlender Chips nicht bauen konnte.

Die Forschung fördern – den Standort stärken

„Wir wollen, dass diese Systeme auch künftig aus Deutschland kommen. Dafür setzen wir auf unsere Stärken in Forschung und Entwicklung. Sie bilden die Grundlage unserer Innovationskraft. Deswegen fördert die Bundesregierung Forschung und Innovation in der Mikroelektronik in besonderem Maße in den Jahren 2021–2024“, sagte Anja Karliczek vom Bundesministerin für Bildung und Forschung bezüglich der Förderprogramme. Eine Zielsetzung besteht darin, wieder eigene Kapazitäten aufzubauen – und dies bei hoher und reproduzierbarer Qualität.

Denn jedes digitale System ist nur so gut wie die darin verbaute Hardware. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Zuverlässigkeit von elektronischen Bauteilen wie Chips, Leiterplatten oder programmierbaren Schaltungen. Mit der Leitinitiative „Vertrauenswürdige Elektronik“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) möchte die Bundesregierung elektronische Komponenten und Systeme sicherer machen. Ulmer Wissenschaftler vom Institut für Mikroelektronik sind an gleich zwei Projekten beteiligt, die über diese Initiative gefördert werden. Sie erhalten insgesamt rund eine Million Euro für die Entwicklung eines elektronischen „Fingerabdrucks“ für Elektronikkomponenten, um einzelne Komponenten und integrierte Systeme eindeutig zu identifizieren.

Gehäuster Mikrochip mit Cent-Stück im Größenvergleich: Um Elektronik-Bauteile sicherer zu machen, sollen sie mit einem elektronischen Fingerabdruck versehen werden.

Foto: Frank Hagmeyer/Uni Ulm

Optimierung eigener Elektronikprodukte bringt die Anwenderindustrien voran

Elektronik übernimmt immer mehr sicherheitskritische Funktionen: ob beim automatisierten Fahren, in der Medizintechnik oder in der roboterunterstützten Industrieproduktion. „Tag für Tag vertrauen wir darauf, dass die Technik einwandfrei funktioniert. Doch wie können wir wissen, ob die verbauten technischen Teile unser Vertrauen zu Recht genießen? Denn einzelne Komponenten könnten gefälscht, manipuliert oder auch einfach mangelhaft sein“, gibt Professor Dr. Maurits Ortmanns zu Bedenken. Der Leiter des Instituts für Mikroelektronik an der Universität Ulm ist an den zwei Verbundprojekten beteiligt, die im Rahmen der BMBF-Leitinitiative „Vertrauenswürdige Elektronik“ mit insgesamt über 22 Millionen Euro gefördert werden. Im Mittelpunkt dieser Initiative steht die Gewährleistung von Echtheit, Funktionalität und Versorgungssicherheit mit dem langfristigen Ziel, die technologische Souveränität der deutschen Wirtschaft und Wissenschaft zu sichern.

Als junge Forschungsuniversität, gegründet 1967, widmet sich die Universität Ulm globalen Herausforderungen: zwölf strategische und interdisziplinäre Forschungsbereiche orientieren sich an den übergeordneten Themen Alterung, Nachhaltigkeit, Technologie der Zukunft sowie Mensch und Gesundheit (www.uni-ulm.de/forschung). Die Forschungsstärke wird durch hohe Drittmitteleinnahmen und zahlreiche große Verbundprojekte wie Sonderforschungsbereiche und ein Exzellenzcluster unter Beweis gestellt.

Ergebnisse sind in einer Vielzahl von Branchen nutzbar

Im Projekt „VE-Vides“ geht es um die Entwicklung eines ganzheitlichen Sicherheitskonzepts für Elektroniksysteme, das vor Angriffen, Manipulationen und vor Produktpiraterie schützen soll. Ziel ist es, elektronische Bauteile mit einem Fingerabdruck identifizierbar zu machen. Behandelt werden Anwendungsfälle aus den Bereichen Autonomes Fahren und Industrie 4.0. Später sollen die Ergebnisse auf die Medizin- und Kommunikationstechnik sowie die Luft- und Raumfahrt übertragen werden. Insgesamt zwölf Projektpartner sind an dem Projekt beteiligt, das vom Halbleiterhersteller Infineon koordiniert wird. Dazu gehören namhafte Industrieunternehmen wie VW, Bosch und Siemens sowie mehrere Mikroelektronik- und Halbleiter-Forschungsinstitute aus der Wirtschaft und der Wissenschaft. Neben der Uni Ulm ist auch die TU Chemnitz sowie das Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen mit dabei. Für die dreijährige Laufzeit des Forschungsvorhabens stehen den Beteiligten insgesamt 16,3 Millionen Euro zur Verfügung.

Ein zweites Verbundprojekt aus der Leitinitiative, an dem die Uni Ulm ebenfalls beteiligt ist, hat eine ähnliche Stoßrichtung und einen ähnlichen Namen: „VE-Fides“ widmet sich gleichfalls der Herstellung digitaler Identität. Besonders im Fokus stehen dabei Verfahren, die es möglich machen, einzelne Bauteile sowie ganze Systeme über die gesamte Produktionskette zurückzuverfolgen. Ein Echtheitsnachweis soll dabei verhindern, dass gefälschte beziehungsweise minderwertige Elektronikteile in Umlauf geraten und verbaut werden.

Namhafte Kooperationspartner aus der Industrie

Das von Siemens koordinierte Forschungsprojekt zur digitalen Identität zählt neben der TU München, der Uni Ulm und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit auch die Unternehmen Continental Automotive, Infineon und Bischoff Elektronik zu seinen Projektpartnern. Auf das Vorhaben entfallen insgesamt gut 6 Millionen Euro, die ebenfalls für 3 Jahre zur Verfügung stehen. Die Aufgabe der Ulmer Wissenschaftler vom Institut für Mikroelektronik besteht darin, einen fälschungssicheren physikalischen Fingerabdruck für elektronische Leiterplatten, programmierbare Schaltungen und integrierte Schaltkreise (FPGA und Microcontroller) zu entwickeln. Dies soll dabei helfen, herauszufinden, ob ein Bauteil ein Original ist. Wurde es verändert, um der Anwendung zu schaden? Ist es gefälscht beziehungsweise unrechtmäßig nachgemacht?

„In der eindeutigen Identifizierbarkeit von Elektronik-Komponenten liegt der Schlüssel zu mehr Zuverlässigkeit und Vertrauen“ – so die Meinung von Professor Ortmanns. Und wie entsteht ein solcher elektronischer Fingerabdruck? „Bei der Produktion der Bauteile kommt es zu unvermeidlichen Prozessschwankungen, die im Nanobereich zu kleinsten Abweichungen führen. Ein erster roher Fingerabdruck entsteht mit der Erfassung dieser Vielzahl an zufälligen Unterschieden. Methoden der Signalverarbeitung, Kodierung und Verschlüsselung verbessern diesen Rohabdruck, und mit der anschließenden Härtung wird der Fingerabdruck robust gegenüber Temperaturschwankungen und Alterungsprozessen. Damit wird es möglich, das Bauteil über die gesamte Lebensdauer zu identifizieren“, erklärt der Ulmer Ingenieur.

Know-how bei Schlüsseltechnologien ist elementar

„Deutschland ist Innovationsland. Es ist wichtig, dass wir uns bei Schlüsseltechnologien wie der Digitalisierung im internationalen Wettbewerb behaupten“, betonte Bundesforschungsministerin Anja Karliczek laut BMBF-Bericht bei der Vorstellung der Leitinitiative „Vertrauenswürdige Elektronik“. Letztendlich geht es bei der „Hightech-Strategie“ des Bundes um technologische Souveränität und um die Realisierung einer eigenen wirtschaftlichen Elektronik-Fertigung in Deutschland und Europa. Hierfür benötige Deutschland Spitzenkapazitäten in der Erforschung, Entwicklung und Anwendung von vertrauenswürdiger Elektronik, so Karliczek weiter. Und die Ulmer Wissenschaftler sind stolz darauf, dass sie hierzu einen Beitrag leisten können.

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Von Birgit Etmanski / Universität Ulm

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