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>> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbuswww.tdw2006.tu-cottbus.de BTU Cottbus – Lehrstuhl.

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1 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbuswww.tdw2006.tu-cottbus.de BTU Cottbus – Lehrstuhl Technische Informatik

2 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Profil: Entwurf und Test digitaler Schaltungen, Fehlererkennung, Selbstreparatur Beschäftigte: 5 wiss. Mitarbeiter Bisher ca. 40 Studierende mit Studien-, Bachelor-, Master-, und Diplomarbeiten Kernkompetenzen: Systems-on a Chip: Entwurf, Test-Technologie, Selbstreparatur

3 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Aerodynamik / Strömungslehre Astrophysik Biotechnologie / Biologie / Ernährung Boden / Wasser / Luft Energie Erde / Geophysik Informatik / Mikroelektronik Internet Nachwachsende Rohstoffe Physik / Sensorik Stadt - Bauen, Planen - Landschaft Studium / Forschung / Beruf Unternehmen und Betriebswirtschaft Verfahrenstechnik Musik Thema: Zuverlässige Elektronik für sicherheitskritische Anwendungen: Fehlertoleranz und Selbstreparatur Vortragender: Prof. Dr.-Ing. Heinrich Vierhaus

4 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Inhaltsübersicht 1. Eingebettete Systeme: Aufbau und Funktion 2. Fehler und Fehlermechanismen 3. Fehlertolerante Hardware 4. Selbstreparatur 5. Es gibt noch viel zu tun...

5 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Eingebettete Systeme Prozessor Logik Speicher I / O - Baugruppen ( D / A ) Sensor- Signale Aktuator- Signale Sensoren Stell- glieder Bus In eingebetteten Systemen arbeitet ein verborgener Rechner mit fester Software an Aufgaben der Steuerung, Regelung und Signalverarbeitung, z. B. im Auto.

6 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Eingebettete System im Auto Tank engine fuel clean air (with more CO 2 ) engine- control dirty air (embedded HW / SW system) Ein KfZ-Bordsystem hat bis zu 40 eingebettete Prozessoren, die über spezielle Netze kommunizieren.

7 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Was ist ein System on a Chip? Prozessor(en) plus Logik plus Speicher auf einem Chip: System on a Chip (SOC) Beispiel: Mobile Kommunikation !

8 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Anforderungen an eingebettete Systeme klein und billig hohe Zuverlässigkeit lange Lebensdauer (Auto, Flugzeug, Bahnen) geringer Stromverbrauch (Handy !!) Echtzeit- Fähigkeit weiter Temperaturbereich (Auto: - 40 bis Grad)

9 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus 2. Fehler und Fehlermechanismen Grundbegriffe: Defekte ergeben sich bei fehlerhafter Fertigung von Bauelementen und Schaltungen (Hardware) (defects). Fehler betreffen meistens das Verhalten einer Schaltung (faults). Intern auftretende Fehler müssen nicht unbedingt extern sichtbar werden (bei Prozessoren nur ca. 50% !). Ausfälle treten dann auf, wenn Fehler die gesamte Funktion lahmlegen (failures). Sichtbare Fehler beeinflussen die Funktion des Systeme (errors).

10 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Wo kommen die Fehler her ? Fehler Spezifikation des Systems HW / SW- Entwurf Fehlbedienung Hardware System Entwurf & System dynamische Effekte ÜberlastungAlterungverborgene Defekte alle Implementierung/ Fertigung System im Feld Ausfälle im Feld Probleme bei Nano-Elektronik !

11 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Neue Fehlerquellen der Hardware

12 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus CMOS 2-NAND mit Defekten

13 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Transiente Fehler

14 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Nano-Probleme

15 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Fehler-Erkennung und -Behebung

16 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus 3. Fehlertolerante Hardware Die Fehlertoleranz ist ein etablierter Zweig der Informatik und der Rechner-Architektur. In vielen realen Systemen (PC, Flugzeug-Elektronik) arbeiten fehlertolerante Schaltungen. Aber Fehlertoleranz ist teuer und hat Grenzen...

17 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Dreifach-Redundanz Prozessor / Hardware Speicher / SW Prozessor / Hardware Speicher / SW Prozessor / Hardware Speicher / SW Sensoren Wandler Vergleicher WandlerStellglieder Mehrheits- entscheidung Mittels Mehrheitsentscheidung werden einzelne Fehler gefunden, erkannt und behoben. Sicher aber teuer !

18 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Fehlererkennung Signatur- Bildung und Watchdog Haupt-ProzessorSpeicher Test-Prozessor Überwachung I / O Prozess (Watchdog) Reset Standard in der Automobil-Elektronik ! Signatur

19 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Parity-Bit-Kontrolle

20 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Berger-Code-Vorhersage Bits mit dem Wert 1 Die Berger-Code-Vorhersage berechnet für das Ergebnis einer arithmetischen Operation die Anzahl der 1 Werte vorab und vergleicht diese mit dem tatsächlichen Ergebnis - ALU R1R2 BC-Rechnung R3BC-ZählungVergleich Signatur

21 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Fehlererkennung durch Codierung

22 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus 4. Selbstreparatur Großrechner für sehr kritische Anwendungen werden seit Jahren mit Ersatzprozessoren ausgeliefert, die ohne Unterbrechung im Fehlerfall die Funktion eines ausgefallenen Prozessors übernehmen. Backup- Vorrat Rechnerkern P1 P2 P3 P4 P6 Vorteil: -hohe Zuverlässigkeit -einfache Ersatzfunktion Nachteil: -Mit jedem defekten Prozessor werden auch viele gute Teile (Gatter, Leitungen, Transistoren) verworfen. -Man kann insgesamt nur eine kleine Fehleranzahl reparieren.

23 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Granularität der Ersatzfunktion

24 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Selbstreparatur bei Speicher-Bausteinen

25 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Programmierbare Logik (FPGAs)

26 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Selbstreparatur mit FPGAs

27 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Transistor-Level-Reparatur

28 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Fehlerisolierung

29 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Gatter (2-NAND) mit Fehlerisolierung

30 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Gatter-Verdopplung

31 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Gatter-Verdopplung mit Potenzialtrennung

32 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Reguläre Struktur mit Ersatzzelle

33 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Bus-Struktur mit Fehler

34 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus Bus-Struktur mit Segmenten

35 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus 5. Es gibt noch viel zu tun.. Eingebauter Test mit Fehlerdiagnose für ICs Software- Fehlererkennung Fehlerhärtung der IC-Strukturen gegen schwer erkennbare / reparierbare Fehler Eingebautes Fehlermanagement für SoCs Prozessoren mit Architekturen für die Fehlerbeherrschung Selbstreparatur-Funktionen

36 >> Visionen << TAG DER WISSENSCHAFT UND FORSCHUNG des Landes Brandenburg 27. Oktober 2006 Campus BTU Cottbus.. und wer tut es ? Fehlerdiagnose für ICs Software-Fehlererkennung Fehlerhärtung der IC-Strukturen gegen schwer erkennbare / reparierbare Fehler Eingebautes Fehlermanagement für SoCs Prozessoren mit Architekturen für die Fehlerbeherrschung Selbstreparatur-Funktionen U. Potsdam BTU IHP BTU TUPoznan** BTU Fraunhofer-IIS, Dresden*** Die Ausbildung dazu liefert eine Graduiertenschule ! * * Prof. Dr. Gössel** Prof. Dr.Dabrowski ***Prof. Dr.Straube


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