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10 Millionen Euro für Invasive Prozessorsysteme

So erfolgt die Verteilung der Rechenleistung auf die einzelnen Programme: Das Network Operation Center (iNoC) verbindet die Kacheln in der heterogenen kachelbasierten „Multiprocessor System-on-chip“(MPSoC)-Architektur miteinander. (Bild: SFB/Transregio 89, Dr.-Ing. Jan Heißwolf)

SFB/Transregio 89 geht in dritte Bewilligungsphase

Der Sonderforschungsbereich/Transregio 89 „Invasives Rechnen“ geht in die dritte Bewilligungsphase und wird für weitere vier Jahre gefördert. 10 Millionen Euro stellt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Erforschung künftiger paralleler Rechensysteme bereit. Der SFB/Transregio 89 wird am Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design) der FAU koordiniert. Beteiligt sind außerdem die Lehrstühle Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme) und Informatik 1 (IT-Sicherheitsinfrastrukturen) sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die Technische Universität München (TUM).

Seit 2010 forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der FAU, des KIT und der TUM an einer neuen Art der Ressourcenverteilung in Computern. Sie ist notwendig, weil selbst die leistungsfähigsten Multiprozessorsysteme aufgrund neuer Anwendungsgebiete wie der Avionik, dem Automobil und in der Industrie 4.0 an ihre Grenzen stoßen. Zwar wird es in ein paar Jahren möglich sein, über 1000 Prozessoren auf einem Chip zu integrieren. Aber je mehr Komponenten in einem System vereint sind, umso schwieriger die gewinnbringende bzw. faire Verteilung von Programmen auf so vielen Prozessoren. Der Forschungsansatz: Statt Willkür walten zu lassen, werden die vorhandenen Ressourcen intelligent eingesetzt. Dafür operieren die Programme künftig „invasiv“, indem sie nur die zu einem Zeitpunkt benötigte bzw. sinnvoll nutzbare Rechenkapazität anfordern und freie Prozessorregionen exklusiv zugewiesen bekommen, um diese anschließend aber für andere Anwendungen wieder freigeben. „Die dynamische und autonome Verteilung von Ressourcen bedarf einer völlig neuen Programmierphilosophie und Systemarchitektur“, sagt Prof. Dr. Jürgen Teich, Inhaber des Lehrstuhls für Hardware-Software-Co-Design und Sprecher des SFB/Transregio 89.

Invasion liefert Vorhersagbarkeit

In den ersten beiden Förderphasen konnten die Informatiker die Leistungsfähigkeit des invasiven Rechnens bereits unter Beweis stellen – etwa in komplexen Anwendungen für Fahrzeugassistenzsysteme oder bei der echtzeitkritischen Bildverarbeitung von Robotern. Dabei kommt ihnen eine dem invasiven Rechnen inhärente Eigenschaft zugute: die Isolation der Programme voneinander. Sie bringt erhebliche Verbesserungen für die Vorhersagbarkeit nichtfunktionaler Eigenschaften, etwa der Ausführungszeit. „Solche Programmanforderungen spezifizieren und auf Multiprozessorsystemen auch einhalten zu können, ist ein Alleinstellungsmerkmal unseres Projekts“, sagt Jürgen Teich. „Schließlich verlangen viele sicherheitsrelevante technische Anwendungen nicht die Maximierung der Rechenleistung, sondern vielmehr die Garantie einer vorgegebenen Leistung.“ Mit dem neuen Konzept werden übrigens nicht nur Ressourcen effizienter genutzt, sondern auch massiv Energie eingespart sowie durch die Abschottung der einzelnen Programme voneinander ebenfalls Security-Eigenschaften hergestellt.

Letzte Lücken schließen

Mit den neuen Fördermitteln der DFG wollen die Forscherinnen und Forscher der FAU, des KIT und der TUM letzte Lücken bei der Vorbereitung invasiver Rechensysteme für den industriellen Einsatz schließen. Hier geht es vor allem darum, verbleibende Unsicherheiten zu reduzieren, die durch variable Programmeigenschaften, Umgebungsbedingungen und Maschinenzustände entstehen. Jürgen Teich: „Wir untersuchen Verfahren der Robustheitsanalyse und der automatischen Generierung von Modulen, die für jedes Programm individuelle vorgegebene Zeit-, Energie- und Security-Eigenschaften zur Laufzeit überwachen und deren Einhaltung durchsetzen. Damit schaffen wir das Bindeglied zwischen ressourcengewahrer Programmierung und der Einhaltung nichtfunktionaler Eigenschaften paralleler Programme auf Multiprozessorsystemen. Die erwarteten Ergebnisse könnten den Einsatz von Multiprozessorsystemen in eingebetteten und Cyber-physikalischen Systemen des täglichen Lebens maßgeblich beflügeln und damit wirtschaftlich eine große Bedeutung erlangen.“

Weitere Informationen über die Forschungsarbeit des SFB/Transregio 89 finden Sie auf der Homepage des Transregios.

Weitere Informationen:

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Tel.: 09131/85-25150
juergen.teich@fau.de

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