Fortschritt um jeden Preis: Medien und Technik Zuverlässigkeit und Komplexität H. T. Vierhaus BTU Cottbus Technische Informatik

Inhaltsübersicht 1. Die alltäglichen Erfahrungen 2. Entwicklung der Mikroelektronik 3. Fehler und Zuverlässigkeit 4. Fehlertoleranz und Selbstreparatur 5. Rekonfigurierbare Systeme 6. Ausblick

1. Erfahrungen des Alltags

Der Fernseher: Bedienung Einschaltknopf Kanal Bild Ton

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.

Auto-Elektronik Ohne Auto-Elektronik kommt kein Audi die Sprungschanze rauf, egal bei welcher Musik !!

Die Schreibmaschine Reiseschreibmaschine (ca. 1970). Mechanisch, keine SW Muti-Media- PC (2005) PC-System (1985) 100 000 Trans. 10 MByte SW 1 000 000 Trans. 10 000 MByte SW

Tendenz Woher kommt die Komplexität?? Wem nützt sie?? Viele Funktionen komplexer technischer Systeme sind ohne Mikroelektronik, Prozessoren und Software nicht möglich. 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??

2. Die Mikroelektronik als Treiber Hochintegrierte Schaltung mit eingebautem Prozessor als „System on a Chip“ (SoC)

Eingebettete Elektronik

Entwicklung der Mikroelektronik Jahr Strukturgröße Trans. pro Taktfrequenz Pins Metall- in nm cm2 MHz Lagen 1970 20 000 1000 1 16 1 1975 10 000 10 000 5 28 1 1980 5 000 20 000 10 50 1 1985 1 000 100 000 20 68 2 1990 500 1 000 000 50 200 3 1995 300 5 000 000 200 350 4 2000 130 50 000 000 1000 500 6 2005 65 200 000 000 3000 800 8 2010 30 1 000 000 000 4000 1000 10

Komplexität in der Mikroelektronik Die Zahl der pro Quadratzentimeter Chipfläche integrierbaren Transistoren verdoppelt sich etwa alle 18 Monate! ... und jemand muss das schließlich ausnutzen!!

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 !!

Die Entwurfslücke Zahl der pro Tag und Mitarbeiter „entwerfbaren“ Transistoren Ausweg : Software!!

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!!

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 10-100. Der Korrektheitsbeweis für größere Software-Systeme ist praktisch unmöglich. Der Anstieg der Komplexität hat sich weithin in die Software verlagert!

Wie kann man einen Addierer bauen? Aus reiner Hardware: ca. 100 – 1 000 Transistoren Aus Prozessor + Software: ca. 30 000 bis 100 000 Transistoren! Komplexität der HW steigt etwa um den Faktor 100 durch Einführung von Software!! Memory

Elektronik im Auto Tran- sistoren ESP ABS Kat Software 1970 1980 1990 1010 Tran- sistoren 109 Info- tainment 108 Navi- gation 107 ESP 106 Bord- Comp. ABS 105 Kat 104 103 Zündung 102 Software 10 1970 1980 1990 2000 2010

Software im Auto kB (ohne Infotainment-PC!!) 1970 1980 1990 2000 2010 106 105 104 103 102 10 1 1970 1980 1990 2000 2010

Nochmal der Audi .... Die Recharbeit der Traktionskontrolle machen 1-4 Prozessoren mit „vergrabener“ Software !

Komplexität bei Software SW-Schicht 10 SW-Schicht 3 SW-Schicht 2 SW-Schicht 1 Betriebssystem Rechner-Hardware ... und jeder „höhere“ Schicht verlässt sich darauf, dass die niedrigen Schichten einwandfrei funktionieren!

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.

3. Fehler und Zuverlässigkeit Komplexität an sich ist ja noch kein Problem, wenn man sie beherrscht. Aber Komplexität bringt auch neue Fehlerquellen ....

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!

Fehler in der Elektronik Vermeidbarkeit sicher bedingt nicht Falsche Spezifikation Falscher Entwurf (Software) Falscher Entwurf (Hardware) Fertigungsfehler * * Fehler im laufenden Betrieb (transiente HW-Fehler) Fehler durch Alterung / Überlastung etc. * Erheblicher Kosten-Aufwand!

Die Testlücke Gute ICs IC-Entwurf Entwurfs- validierung IC- Fertigung fehlerhafte ICs fehlerfreie Chips Ausbeute der Fertigung: Alle Chips

Die Testlücke Das Verhältnis der maximalen Anzahl auf einem Chip herstellbarer zu validierbaren (Entwurf ) zu testbaren Transistoren ist etwa: 100 : 10 : 1 !!!

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.

4. Fehlertoleranz und Selbstreparatur Fehler gibt es überall. Man kann sie auch „bekämpfen“. Wenn man weiß, wann wo und warum sie auftreten ...

Mikroelektronik fürs Auto Jahr Strukturgröße Trans. pro Taktfrequenz Pins Metall- in nm cm2 MHz Lagen Spg. V 1970 20 000 1000 1 16 1 10 1975 10 000 10 000 5 28 1 10 1980 5 000 20 000 10 50 1 5 1985 1 000 100 000 20 68 2 5 3 1990 500 1 000 000 50 200 3 1995 300 5 000 000 200 350 4 2 2000 130 50 000 000 1000 500 6 1 2005 65 200 000 000 3000 800 8 1 1 2010 30 1 000 000 000 4000 1000 10

Transiente Hardware-Fehler Partikel - Input - FFs Output Strahlung FFs 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%!!

Fehlererkennung durch aktive Redundanz S1 Ergebnis Eingangs- signal Voter (Mehrheits- Entscheid) S2 Fehlermeldung S3 Overhead: etwa Faktor 4 Problem: Fehler des Voters „Selbstcheckende Checker“

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!

Selbstreparatur für Speicher Spalten - Adresse Dekoder Zeilen - Adresse Spalten Memory - - Kern Zusatz Zusatz - Zeilen ... funktioniert und wird praktisch verwendet!

Selbstreparatur durch Redundanz Prozessor 1 (aktiv) Prozessor 3 (fehlerhaft) Prozessor 2 (aktiv) Prozessor 4 (Ersatz)

Selbstreparatur Prozessor 1 (aktiv) Prozessor 3 (fehlerhaft) Transiente Fehler ?? Systemfunktion wird passiv Prozessor 2 (aktiv) Prozessor 4 (Ersatz) Reparaturfunktion wird aktiviert ... und das funktioniert nur so lange 2 zuverlässig arbeitende Prozessoren verfügbar sind! Transiente Fehler müssen zusätzlich beherrscht werden!

Selbstreparatur für Logik Ersatz fehlerhafter Transistoren: Ist möglich, aber kompliziert und teuer! Die Komplexität steigt mindestens um den Faktor 4!!

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 ??

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 !!

5. Rekonfigurierbare Systeme Hardware und Software gehen durch (re-) programmierbare Hardware eine „Symbiose“ ein, die zum Abenteuer wird .......

Wie der Softi die Hardware sieht: Hardware geht immer. Fehler machen nur die Softis. Stimmt fast, aber nur fast........ Hardware ist „hart“, also fest und nicht änderbar. Heißt ja so. 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 !)

Von „harten“ Chip zum „weichen“ FPGA Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC) System on a Chip (SoC) Prozessor Memory Software Programmierbare Logik (FPGA) Variable (re-) konfigurierbare Funktion! Feste Funktion! Die Hardware wird soft!

FPGA-Board

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)!!

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!

6. Zusammenfassung Es gibt Tendenzen, die zu unvermeidlichen „Abstürzen“ führen müssen ...

Die Systematik Mode / Werbung Neue Funktionen Neues Nutzer- Verhalten Geräte Mehr Software, steigende Komplexität ermöglicht verlangt Mode / Werbung HL- Technologie Neue Info- Dienste verlangt „Gadgets“ Verwendungszeit eine „Handys“: 9-15 Monate! IC-Fertigungszeit: ca. 3 Monate Höhere Integration verlangt

Komplexität: Treiber und Bremser Handy treibt Computerspiele Werbeanzeigen in „bunten Blättern“, Prospekte von Media- Markt, Saturn etc. Navigationssysteme Unterhaltungselektronik Auto (Info-Tainment) Auto-Elektronik („harte“ Funktionen) bremst Gibt es ein Medium ??

Das mächtigste Medium weit und breit !

Pannenreport

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 !

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!

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 ??