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Computer-Chips für die Zukunft – nach dem Fabrik-Prinzip

| Redakteur: Julia Schmidt

Die Technischen Universitäten Braunschweig und München und die University of California haben sich zusammengeschlossen, um eine neue Generation Computer-Chips zu entwickeln, die wie eine Fabrik funktionieren.

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Das Konzept der „Information Processing Factory“ umfasst nicht nur die Halbleiterebene (von der Halbleitertechnologie bis zur Prozessorarchitektur), sondern auch das Betriebssystem und die Middleware.
Das Konzept der „Information Processing Factory“ umfasst nicht nur die Halbleiterebene (von der Halbleitertechnologie bis zur Prozessorarchitektur), sondern auch das Betriebssystem und die Middleware.
(Bild: Pixabay / CC0 )

Autonomes Fahren, Industrieelektronik oder moderne Medizintechnik verlangen eine neue Generation von Computer-Chips, um die Anforderungen an die Digitalisierung der Zukunft erfüllen zu können. Davon ist das deutsch-amerikanisches Forschungsteam überzeugt, dass aus Wissenschaftlern der Technischen Universitäten Braunschweig und München sowie der University of California in Irvine besteht. Seit dem 01. Januar 2018 erforschen und entwickeln sie die Voraussetzung dafür im Rahmen des Forschungsprojektes „Information Processing Factory“.

Auf der diesjährigen DATE-Konferenz zu Elektronikdesign und -test hat das Forschungsteam sein Projekt in Dresden näher vorgestellt. Ziel ist es eine neue Methodik zu entwickeln, die es den Chipherstellern ermöglicht, Computerkomponenten zu entwickeln, die auch in der Zukunft für die Herausforderungen der umfassenden Digitalisierung in allen Bereichen der Wirtschaft gerüstet sind.

„Die Versprechen der Digitalisierung werden mit der aktuellen Chip-Generation kaum technologische Realität“,laut Rolf Ernst, Professor für Computer- und Netzwerkarchitektur vom Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der TU Braunschweig. „Um den Anschluss zu bekommen, benötigen wir neue Forschungsansätze, die wir mit unserem neuen Forschungsprojekt verfolgen“, ergänzt Professor Andreas Herkersdorf vom Lehrstuhl für Integrierte Systeme der TU München.

Mehr Leistung für die Technologien der Zukunft

Planung, Logistik und Fertigungslinien greifen ineinander und werden über vernetzte Steuerungs- und Planungsebenen in einer Funktionshierarchie zusammengeführt. So funktionieren modernen Fabriken, in der eine Vielzahl komplexer Prozesse ablaufen. Dieses Prinzip überträgt das deutsch-amerikanische Forschungs-Team nun auf Computer-Chips. Wie in modernen Fabriken sollen im Ansatz der „Information Processing Factory“ eine Vielzahl an Überwachungs- und Kontrollfunktionen hohe Zuverlässigkeit und gleichzeitig hohe Flexibilität ermöglichen, um sich dynamisch auf Änderungen in der Produktion und auf Ausfälle einzustellen.

„Um die Produktion effektiv und effizient am Laufen zu halten, müssen die Fabriken Logistik, Versorgung und Anlagensteuerung so steuern, dass sie sich an die aktuelle Auslastung anpassen können, aber auch Wartung und Dauerbetrieb berücksichtigen“, sagt Rolf Ernst.

Allerdings müssen in den Computer-Chips alle Vorgänge autonom ablaufen, der Chip beobachtet und steuert sich selbst. Dafür erforschen und entwickeln die Wissenschaftler eine intelligente, lernende Steuerung, die auf einem ständig aktualisierten Selbstbild des Chips aufsetzt. Als Beispiele für den Einsatz ihrer „Information Processing Factory“ wollen sie Anwendungen im Bereich des autonomen Fahrens und der Medizintechnik verwenden.

Es wird derzeit viel Leistungspotential verschenkt

Computer-Chips vereinen viele Milliarden Transistoren auf einer einzigen Schaltung, die kleiner als ein Fingernagel ist. Das ist nur möglich, weil diese Schaltungen, auch „Chips“ genannt, über Jahrzehnte zu immer kleineren physikalischen Strukturgrößen vorgestoßen sind, die nur funktionieren, weil sie komplizierte physikalische Effekte im atomaren Bereich nutzen. Längst erfordern diese Schaltungen komplizierte Steuerungen, die ihre Schaltfrequenz, Energieverbrauch, und Temperatur regeln und gegebenenfalls reagieren, wenn der Chip überlastet wird und auszufallen droht.

Moderne Chips verfügen dazu über ein Netz von Sensoren, auf die diese Steuerungen zugreifen. Im Laufe der Entwicklung ist eine Vielzahl derartiger Steuerungen entstanden, die nebeneinander her, teilweise sogar gegeneinander arbeiten. Das wird problematisch, wenn die Chips in sicherheitskritischen oder hochzuverlässigen Anwendungen eingesetzt werden, wo immer Sicherheitsmargen vorzusehen sind. Solche Schaltungen werden daher sehr konservativ ausgelegt, weshalb viel Leistungspotential der Schaltungen verschenkt werden muss.

Der Chip ist nur ein Teil des Gesamtkonzepts

Das neue Konzept der „Information Processing Factory“ umfasst jedoch nicht nur die Halbleiterebene (von der Halbleitertechnologie bis zur Prozessorarchitektur), sondern auch das Betriebssystem und die sogenannte Middleware. Die Forscher wollen eine Reihe von selbstorganisierenden / selbstbewussten Einheiten, sogenannte SOSA (Self-Organizing/Self-Aware), auf den verschiedenen Systemebenen zu etablieren. Diese Einheiten sind miteinander verbunden, um gemeinsam systemweite Überwachungs- und Steuerungsfunktionen zu realisieren. So können komplexe SoCs sich selbst und ihre Betriebsparameter durch eingebettete Sensoren ständig überwachen und so Leistungseinbußen, thermische Anomalien oder andere Indikatoren eines Ausfalls frühzeitig erkennen. Selbst bestimmte Sicherheitsbedrohungen können mit dieser Methode erkannt werden, so Rolf Ernst. Im Falle eines drohenden Ausfalls sieht das Konzept Reserven vor, die bei Bedarf aktiviert werden können.

Neben Chipdesigns und Computerarchitekturen soll das Projekt auch die für den Aufbau einer solchen Informationsverarbeitungsfabrik erforderlichen Entwurfswerkzeuge bereitstellen. In der derzeitigen frühen Mikrochip-fokussierten Phase soll es ein Pilotprojekt der UCI und ihrer deutschen Partner sein. Mit rund 2 Million Euro wird das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) gefördert.

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