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Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fortschritt um jeden Preis: Medien und Technik H.

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Präsentation zum Thema: "Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fortschritt um jeden Preis: Medien und Technik H."—  Präsentation transkript:

1 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fortschritt um jeden Preis: Medien und Technik H. T. Vierhaus BTU Cottbus Technische Informatik Zuverlässigkeit und Komplexität

2 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Inhaltsübersicht 1. Die alltäglichen Erfahrungen 2. Entwicklung der Mikroelektronik 3. Fehler und Zuverlässigkeit 4. Fehlertoleranz und Selbstreparatur 5. Rekonfigurierbare Systeme 6. Ausblick

3 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus 1. Erfahrungen des Alltags

4 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Der Fernseher: Bedienung Einschaltknopf Kanal Ton Bild

5 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Das Auto Keine Elektronik, fuhr trotzdem Mit bis zu 80 (!!) vergrabenen Rechnern ist ein Auto heute ein Rechenzentrum auf Rädern!!.. und ohne Elektronik geht kein ABS, ESP, Navigationssystem etc.

6 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Auto-Elektronik Ohne Auto-Elektronik kommt kein Audi die Sprungschanze rauf, egal bei welcher Musik !!

7 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Die Schreibmaschine Reiseschreibmaschine (ca. 1970). Muti-Media- PC (2005) PC-System (1985) Mechanisch, keine SW Trans. 10 MByte SW Trans MByte SW

8 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Tendenz Geräte, Anlagen, Baugruppen des täglichen Bedarfs werden bei (fast) gleicher Art der Nutzung laufend komplizierter bezüglich: -- Aufbau -- Handhabung -- Wartung -- Betriebssicherheit Woher kommt die Komplexität?? Wem nützt sie?? Viele Funktionen komplexer technischer Systeme sind ohne Mikroelektronik, Prozessoren und Software nicht möglich.

9 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus 2. Die Mikroelektronik als Treiber Hochintegrierte Schaltung mit eingebautem Prozessor als System on a Chip (SoC)

10 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Eingebettete Elektronik

11 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Entwicklung der Mikroelektronik JahrStrukturgröße Trans. pro Taktfrequenz Pins Metall- in nm cm 2 MHz Lagen

12 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Komplexität in der Mikroelektronik Die Zahl der pro Quadratzentimeter Chipfläche integrierbaren Transistoren verdoppelt sich etwa alle 18 Monate!... und jemand muss das schließlich ausnutzen!!

13 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Grundgesetze der Mikroelektronik Viele Funktionen in Geräten und Anlagen sind ohne Mikroelektronik nicht möglich. Hochintegrierte Schaltkreise sind nur in hohen Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar. Das gilt um so mehr, je neuer die Chip-Fabrik ist und je kleiner die Halbleiter-Strukturen werden. Der Konkurrenz-Druck der Halbleiter-Hersteller untereinander zwingt sie zur laufenden Reduzierung der Herstellungskosten pro Transistor. Aspekte wie Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind für viele Anwendungen zunächst nebensächlich !!

14 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Die Entwurfslücke Zahl der pro Tag und Mitarbeiter entwerfbaren Transistoren Ausweg : Software!!

15 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Die Validierungslücke Zahl der pro Tag und Mitarbeiter validierbaren Transistoren ist nochmals geringer! Ausweg : Software?? Nein!! Die Korrektur eines HW-Entwurfs ist partiell beweisbar. Die Korrektheit von Software nicht!!

16 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Mikroelektronik Die Mikroelektronik ist Treiber der Komplexitätsentwicklung. Ohne Mikroelektronik sind viele Funktionen komplexer Systeme gar nicht machbar. Der Übergang zu eingebetteter Software bringt einen Sprung in der Systemkomplexität um den Faktor Der Korrektheitsbeweis für größere Software-Systeme ist praktisch unmöglich. Der Anstieg der Komplexität hat sich weithin in die Software verlagert!

17 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Wie kann man einen Addierer bauen? Aus reiner Hardware: ca. 100 – Transistoren Aus Prozessor + Software: Memory ca bis Transistoren! Komplexität der HW steigt etwa um den Faktor 100 durch Einführung von Software!!

18 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Elektronik im Auto Zündung Kat ABS ESP Navi- gation Tran- sistoren Info- tainment Bord- Comp. Software

19 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Software im Auto kB (ohne Infotainment-PC!!)

20 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Nochmal der Audi.... Die Recharbeit der Traktionskontrolle machen 1-4 Prozessoren mit vergrabener Software !

21 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Komplexität bei Software Betriebssystem Rechner-Hardware SW-Schicht 1 SW-Schicht 2 SW-Schicht 3 SW-Schicht und jeder höhere Schicht verlässt sich darauf, dass die niedrigen Schichten einwandfrei funktionieren!

22 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Tendenz zur Software Chips in neuen Technologien sind nur bezahlbar, wenn sie in riesigen Stückzahlen (> 1 Mio.) gefertigt werden. Wegen der Entwurfslücke findet die eigentliche Konfektionierung zunehmend durch Software statt. Damit handelt man sich neben allen Problemen der Hardware auch noch die der Software ein!! Die Tendenz gilt für alle Anwendungsbereiche. Allerdings machen konservative Branchen (wie die Auto- Industrie) diesen Trend nur verzögert mit.

23 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus 3. Fehler und Zuverlässigkeit Komplexität an sich ist ja noch kein Problem, wenn man sie beherrscht. Aber Komplexität bringt auch neue Fehlerquellen....

24 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fehlerquellen im Auto Bis 1975: Mechanik, Hydraulik, Elektrik Ab 1975: Elektronik, Sensoren Ab 1990: Software Rapide Zunahme der Fehlermöglichkeiten und Fehlermechanismen durch Steigerung der Komplexität und massiver Einführung von Software!

25 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fehler in der Elektronik Falsche Spezifikation Vermeidbarkeit sicher bedingt nicht Falscher Entwurf (Software) Falscher Entwurf (Hardware) Fertigungsfehler Fehler im laufenden Betrieb (transiente HW-Fehler) Fehler durch Alterung / Überlastung etc. * * Erheblicher Kosten-Aufwand! *

26 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Die Testlücke IC-Entwurf Entwurfs- validierung IC- Fertigung IC- Test Gute ICs fehlerhafte ICs Ausbeute der Fertigung: fehlerfreie Chips Alle Chips

27 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Die Testlücke Das Verhältnis der maximalen Anzahl auf einem Chip herstellbarer zu validierbaren (Entwurf ) zu testbaren Transistoren ist etwa: 100 : 10 : 1 !!!

28 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Kann Elektronik fehlerfrei sein?? Die Anforderungen des Entwurfs (Pflichtenheft) kann unvollständig und widersprüchlich sein. Beim Entwurf von Hardware (z. B. Prozessoren) können Fehler Passieren. Software kann nach aller Erfahrung nicht fehlerfrei entworfen werden. Debugging durch Verwendung. Selten verwendete Teile (z. B. für Notfälle) sind selbst am wenigsten zuverlässig und erprobt. Integrierte Schaltungen sind von Fertigungsfehlern betroffen, die durch aufwändige Testverfahren gefunden werden müssen. Reparatur ist nur bedingt möglich (Speicher-Bausteine). Transiente Fehler im laufenden Betrieb werden bei kleinen (Nano-) Bauelementen zunehmend wahrscheinlicher.

29 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus 4. Fehlertoleranz und Selbstreparatur Fehler gibt es überall. Man kann sie auch bekämpfen. Wenn man weiß, wann wo und warum sie auftreten...

30 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Mikroelektronik fürs Auto JahrStrukturgröße Trans. pro Taktfrequenz Pins Metall- in nm cm 2 MHz Lagen Spg. V

31 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Transiente Hardware-Fehler Input-FFs Output FFs Partikel- Strahlung Partikel aus radioaktiver Strahlung und Höhenstrahlung können Mikroelektronik-Bausteine Mit kleinsten Abmessungen stören. Solche Fehler müssen in Realzeit erkannt und kompensiert werden. Zusatz-Aufwand: bis zu 300%!!

32 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fehlererkennung durch aktive Redundanz S1 S2 S3 Eingangs- signal Voter (Mehrheits- Entscheid) Ergebnis Fehlermeldung Overhead: etwa Faktor 4 Problem: Fehler des Voters Selbstcheckende Checker

33 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Zuverlässige Hardware Fehlererkennung und – Kompensation im laufenden Betrieb für transiente (nicht- permanente) Fehler. Ist möglich durch zusätzliche Hardware zur Fehlererkennung oder durch Software-Methoden. Relativ gut verstanden und in breiter Anwendung! Erkennung und Reparatur für permanente Fehler nebenläufig zum Betrieb oder in Betriebspausen (Built-in Self Repair- BISR). Funktioniert für hoch-reguläre Hardware wie Speicher und wird dort regelmäßig verwendet, funktioniert aber viel weniger gut für Logik!

34 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Selbstreparatur für Speicher Memory- Kern Zusatz-Zeilen - Adresse Spalten- Adresse Dekoder Zusatz - Spalten... funktioniert und wird praktisch verwendet!

35 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Selbstreparatur durch Redundanz Prozessor 1 (aktiv) Prozessor 2 (aktiv) Prozessor 3 (fehlerhaft) Prozessor 4 (Ersatz)

36 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Selbstreparatur Prozessor 1 (aktiv) Prozessor 2 (aktiv) Prozessor 3 (fehlerhaft) Prozessor 4 (Ersatz) Systemfunktion Reparaturfunktion wird passiv wird aktiviert... und das funktioniert nur so lange 2 zuverlässig arbeitende Prozessoren verfügbar sind! Transiente Fehler müssen zusätzlich beherrscht werden! Transiente Fehler ??

37 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Selbstreparatur für Logik Ersatz fehlerhafter Transistoren: Ist möglich, aber kompliziert und teuer! Die Komplexität steigt mindestens um den Faktor 4!!

38 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Zuverlässige Hardware?? Die herkömmlichen hochintegrierten Schaltungen sind bemerkenswert zuverlässig, auch über lange Einsatzzeiten. Mikroelektronik auf der Basis von Nano-Strukturen hat neue Fehlermechanismen, deren Beherrschung nur teilweise funktioniert. Die Beherrschung der (Hardware)- Fehler in den ICs ist nicht einfach, aber zumindest weiß man, wie es gehen könnte. Hardware: P8 von 1906, bis zu 60 Einsatzjahre ICE ??

39 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Zuverlässige Software?? Software reift durch Nutzung beim Anwender (Bananen-Effekt). Deshalb werden Fehler in selten benutzten Komponenten (wie z. B. denen zur Fehlerbehandlung) am längsten nicht entdeckt!! Aber zumindest gibt es neue Technologien, die zeigen, was Software denn tatsächlich tun (Software-Tomographie).... Professor Lewerentz !!

40 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus 5. Rekonfigurierbare Systeme Hardware und Software gehen durch (re-) programmierbare Hardware eine Symbiose ein, die zum Abenteuer wird

41 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Wie der Softi die Hardware sieht: Hardware geht immer. Fehler machen nur die Softis. Hardware ist hart, also fest und nicht änderbar. Heißt ja so. Stimmt fast, aber nur fast Stimmt nicht mehr, Hardware wird soft Und was er nicht sieht: Hardware kann gestört werden, und zwar um so mehr, je kleiner die Strukturen sind. Hardware altert und wird dabei nicht besser (kein Bananen-Effekt !)

42 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Von harten Chip zum weichen FPGA Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC) Feste Funktion! ProzessorMemory Programmierbare Logik (FPGA) System on a Chip (SoC) Variable (re-) konfigurierbare Funktion! Die Hardware wird soft! Software

43 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus FPGA-Board

44 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Rekonfigurierbare Systeme Statt fester Logik werden Bausteine benutzt, deren Logik- Funktion programmierbar ist. Ein eingebetteter Prozessor kann diese Logik per Software im Anwendungssysteme umkonfigurieren. Software kann zur Laufzeit entsprechend dem Bedarf der Anwendung modifiziert werden. Der Prozessor selbst kann auf der Basis rekonfigurierbarer Logik aufgebaut und nach Bedarf modifiziert werden ! Und das ist nicht Science Fiction, sondern Gegenstand laufender Forschungsprojekte (z. B. der Deutschen Forschungsgemeinschaft)!!

45 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fluch oder Segen?? Mit selbst-rekonfigurierenden Systemen kommt man den Eigenschaften biologischer Systeme nahe. Die können Fehlertoleranz und Selbstreparatur! Hardware wird durch Software konfiguriert. Software ist nicht validierbar. Abenteuerspielplatz! Nicht nur die Software, sondern auch die Hardware wird anfällig gegen Effekte wie Computer-Viren! Sinnvoll und mit Restriktionen verwendet kann man durch rekonfigurierbare Systeme Funktionen wie die Selbstreparatur implementieren!

46 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus 6. Zusammenfassung Es gibt Tendenzen, die zu unvermeidlichen Abstürzen führen müssen...

47 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Die Systematik HL- Technologie Neue Geräte Neue Funktionen Neue Info- Dienste Neues Nutzer- Verhalten verlangt ermöglicht Höhere Integration Verwendungszeit eine Handys: 9-15 Monate! IC-Fertigungszeit: ca. 3 Monate verlangt Mehr Software, steigende Komplexität Mode / Werbung Gadgets

48 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Komplexität: Treiber und Bremser treibt bremst Handy Computerspiele Navigationssysteme Auto-Elektronik (harte Funktionen) Auto (Info-Tainment) Unterhaltungselektronik Werbeanzeigen in bunten Blättern, Prospekte von Media- Markt, Saturn etc. Gibt es ein Medium ??

49 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Das mächtigste Medium weit und breit !

50 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Pannenreport

51 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Probleme Es existiert eine positive Rückkopplung zwischen Geräten, Diensten, und Technologie-Entwicklung. Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Benutzerfreundlichkeit spielen in der Werbung kaum eine Rolle. Für einen zunehmenden Kreis von Nutzern sind die Geräte und Dienste bereits überdimensioniert. Die Mode-getriebenen Innovationszyklen werden immer kürzer. Bei gleichzeitig steigender Komplexität der Systeme kann die Zuverlässigkeit nicht besser werden! Bei Systemen für sicherheitskritische Anwendungen werden bis zu 70% der Entwicklungskosten für Validierung und Test ausgegeben !

52 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fazit Viele Anwendungsgebiete sind durch ungebremst wachsende Komplexität gekennzeichnet, deren Beherrschung zum Abenteuer wird. Für sicherheitskritische Anwendungen ziehen die Unternehmen (Bosch etc.) systematische Grenzen der Komplexität ein, um Systeme beherrschbar zu halten. Man kann zwischen ernsthaften Anwendungen und Gadgets unterscheiden, wobei die HL-Industrie teilweise Gadget-getrieben ist. Das Problem der Software-Zuverlässigkeit ist ungelöst. Hardware wird zunehmend problematischer. Neue Architekturen wie rekonfigurierbare Systeme können positive Eigenschaften biologischer Systeme nachbilden. Sie erlauben aber auch die Konstruktion von Systemen, die sich weitestgehend unkontrollierbar selbst rekonfigurieren können!

53 Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Und was wollen wir von der Zukunft ?? Viel Spaß auf der Sprungschanze (mit dem Wegwerf-Auto und hoffentlich mit zuverlässigem Rettungshubschrauber) oder zuverlässige langlebige Systeme ??


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