12.03.2018 | Presseinformationen:

Digitalisierung: Computer-Chips nach dem Fabrik-Prinzip Transatlantisches Projekt „Information Processing Factory“ gestartet

(See english Version below)

Autonomes Fahren, Industrieelektronik oder moderne Medizintechnik verlangen eine neue Generation von Computer-Chips, um die Versprechen der Digitalisierung einzulösen. Davon ist ein deutsch-amerikanisches Forschungsteam aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Technischen Universitäten Braunschweig und München sowie der University of California überzeugt. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Information Processing Factory“ erforschen und entwickeln sie seit dem 01. Januar 2018 die Voraussetzung dafür. Mit rund 2 Million Euro wird das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) gefördert, die sich dafür zu einer ungewöhnlichen Kooperation zusammen gefunden haben.

„Die Versprechen der Digitalisierung werden mit der aktuellen Chip-Generation kaum technologische Realität“, erklärt Professor Rolf Ernst 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 aus Braunschweig, München und Irvine/Kalifornien 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.

Intelligente, lernende Steuerung

Allerdings müssen in den Computer-Chips alle Vorgänge autonom ablaufen, der Chip beobachtet und steuert sich selbst. Dafür erforschen und entwickeln die Wissenschaftlerinnen und 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.

Hintergrund: Kleiner, aber nicht besser

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.

Zur Kooperation von NSF und DFG

Mit der Förderung des Forschungsprojektes „Information Processing Factory“ gehen die DFG und die NSF einen ungewöhnlichen Weg. Denn die Mittel werden nicht im Rahmen eines offiziell ausgeschriebenen, internationalen Programms, sondern außerhalb aller internationalen Kooperationsprogramme bereitgestellt. Die Initiative dafür ging von der transatlantischen Gruppe aus und traf in beiden Förderinstitutionen auf Unterstützung. „Mit einem solchen Schritt werden völlig neue Perspektiven einer weniger komplizierten, flexiblen Forschungsförderung eröffnet“, stellen die Professoren fest.


TU Braunschweig, TU Munich, and University of California Irvine launch joint technology development project

Initiative will focus on creation of ‘information processing factory’ computer chips

Advanced medical electronics, autonomous vehicles, smart manufacturing – these and other technological innovations call for integrated circuits that can manage complex processes, self-monitor and adapt to rapidly changing requirements.

Researchers from the University of California, Irvine and Germany’s Technical University of Braunschweig and Technical University of Munich have launched a joint project to develop next-generation computer components to meet the new challenges of digitization. The goal is to build “information processing factory” chips that bundle numerous functions and capabilities on a single platform.

Practical elements of the collaboration, which is funded by the National Science Foundation and the German Research Foundation, include student and faculty exchanges and visits, regularly scheduled trans-Atlantic conferences, and virtual work group activities.

“With our partners in Braunschweig and Munich, we hope to bring about a paradigm shift by creating vastly more complex networked information technology systems that can operate in the emerging environment brought on by advances in cyber-physical systems and the internet of things,” said UCI principal investigator Nikil Dutt, Chancellor’s Professor of computer science.

The “information processing factory” chip concept comes from recent innovations in manufacturing in which network-connected tools, robots, sensors and computers act in concert to perform complex processes. The teams from UCI and Germany will work toward incorporating many of the monitoring and control functions of factories into individual computer chips. This will enable components to function independently, adapt to evolving processing requirements and self-repair defects on the fly.

“To keep production running effectively and efficiently, factories need to properly manage logistics, supplies and facility controls to adapt to the current workload, while also considering maintenance and continuous operation,” said TU Braunschweig principal investigator Rolf Ernst, professor of computer & network architecture and deputy chairman of the Research Center for Digitalization, Informatics & Information Technology. “Future microelectronic systems face comparable requirements.”

These advanced systems will come equipped with on-chip sensors to monitor and control performance and health status – keeping track of temperature, energy consumption, wear and tear, and even security threats. Achieving this will require a holistic methodology that encompasses hardware design, software development and new approaches to network architecture.

“We are rapidly nearing a time when networked information technology components greatly outnumber humans, and the complexity of their operations outstrips anything people are capable of today,” said UCI co-principal investigator Fadi Kurdahi, director of UCI’s Center for Embedded & Cyber-Physical Systems and professor of electrical engineering & computer science.

“We need new tools to manage this reality, and this trans-Atlantic partnership to create an information processing factory is a step in that direction,” said TU Munich principal investigator Andreas Herkersdorf, professor and chair of integrated systems. “We expect the future will bring deeper explorations into new approaches in cyber-physical systems, autonomous technologies and the internet of things.”

This early microchip-focused phase is considered to be a pilot project by UCI and its German partners, as they are trying out an informal collaboration that does not depend upon the established funding mechanism of a joint international call-for-research proposals but directly awards a grass-roots initiative of a trans-Atlantic research group – possibly heralding a new era of flexible research funding.