Lehrstuhl für Technische Informatik
Forschung

Forschung

Der Lehrstuhl für Technische Informatik beschäftigt sich mit Entwurfs- und Analyseverfahren von komplexen mikro- und nanoelektronischen Schaltungen und Systemen auf ihrer Basis. Eine besondere Berücksichtigung finden dabei solche Aspekte wie Zuverlässigkeit, Verlässlichkeit, Robustheit und Energieeffizienz. Im Folgenden wird unter Nennung relevanter Forschungsprojekte, wichtigster Kooperationen und ausgewählter Publikationen auf unsere aktuellen Schwerpunkte eingegangen.

Energieeffizienter Schaltungsentwurf und seine Auswirkungen auf Zuverlässigkeit

Energieeffizienz ist eine Schlüsselanforderung an moderne Elektronik. Hierfür kommen Techniken wie Absenkung der Versorgungsspannung, Abschaltung temporär unbenutzter Blöcke oder Verwendung spezieller Low-Power-Transistoren zum Einsatz. Dabei sinken in der Regel die Rauschabstände und somit die Robustheit der Schaltung gegenüber externen Störungen. Andererseits werden zur Erhöhung der Zuverlässigkeit redundante Strukturen benötigt, die wiederum Energie verbrauchen.

Wir untersuchen den Zusammenhang zwischen Low-Power-Entwurfstechniken und der Zuverlässigkeit. Einen Schwerpunkt stellen dabei Strategien dar, um Ausfälle aufgrund von komplexen Wechselwirkungen zwischen der Logik einer Schaltung und seiner Stromversorgungsinfrastruktur (Power Distribution Network) zu erkennen. Solche Ausfallmechanismen (z.B. IR Drop, Ground Bounce, Power Droop) waren in der Vergangenheit auf der Chip-Ebene vernachlässigbar und wurden ausschließlich auf der Board-Ebene behandelt. In den letzten Technologiegenerationen sind einzelne Blöcke oder sogar Logikgatter von diesen subtilen Rauschquellen betroffen. Herkömmliche Verfahren können solche Ausfälle nicht sicher feststellen. Ein weiteres Thema ist eine Ultra-Low-Power-Technik „Adaptive Voltage Overscaling“ (AVOS). Durch aggressive Steuerung der Spannungsversorgung konnten für Anwendungen aus der Bildverarbeitung Energieeinsparungen von 20 – 30% erzielt werden, wobei die Qualität der Ergebnisse nicht nennenswert beeinträchtigt wurde.

Kooperationen

Ausgewählte Publikationen

Entwurf robuster Systeme

Mit immer weiter fortschreitender Miniaturisierung der Strukturen wird die Hardware immer fehleranfälliger. Klassische Fehlertoleranztechniken sind aufgrund ihrer hohen Kosten sowie der drastisch erhöhten Leistungsaufnahme für viele praktische Systeme nicht anwendbar. Die Fehlerbehandlung muss daher durch eine Kombination von Maßnahmen auf Hardware-, Software-, und Systemebene erfolgen. In einigen Anwendungen kann es auch möglich sein, nur ausgewählte, besonders schwerwiegende Fehler zu behandeln und unkritische Fehler unkorrigiert zu lassen. In der Bildverarbeitung  etwa könnte ein unkritischer Fehler lediglich einige Bildpixel leicht in einer Weise verändern, die vom menschlichen Systemnutzer gar nicht wahrgenommen wird.

Wir befassen uns zum einen mit Strategien zur Härtung einer Schaltung, die zwischen den Kosten der Härtung und der erzielten Fehlerrate abwägen (Selective Hardening). Diese Technik lässt sich sehr wirkungsvoll mit Software-Fehlertoleranz kombinieren, wodurch eine Abwägung zwischen Systemkosten, Fehlerrate und Performanz möglich ist. Außerdem untersuchen wir, welche Systemfehler als kritisch und als unkritisch zu bewerten sind. Dabei sind in der Vergangenheit sowohl anwendungsspezifische Definitionen (Cognitive Resilience für Bildverarbeitungsanwendungen) als auch das allgemeinere Konzept der Transient-Error Tolerance. Derzeit arbeiten wir an ähnlichen Untersuchungen im Bereich der probabilistischen Robotik.

Geförderte Projekte:

  • „Modellierung, Verifikation und Test akzeptablen Verhaltens“ (gefördert durch die DFG als Teil des Paketantrags RealTest).

Kooperationen:

Ausgewählte Publikationen:

Nanoelektronische Schaltungen und Architekturen

Die exponentielle Entwicklung der Integrationsdichte kann nicht unendlich lange anhalten. Mittelfristig werden für die heutigen Halbleiter-Technologien Alternativen benötigt. Diese sind im Bereich der Nanotechnologie zu finden. Wir befassen uns mit einigen ausgewählten Klassen der Nano-Devices und Schaltungsarchitekturen auf ihrer Basis. Zu nennen sind hier reversible Schaltungen, die einen Spezialfall der Quantenschaltkreise darstellen, und NanoPLAs, die als strukturierte Verschaltungen von rekonfigurierbaren Nano-Devices aufgefasst werden können. Ferner beschäftigen wir uns mit probabilistischen Aspekten einiger Nanotechnologien, insbesondere von Quantenrechnern und von stochastischen Computern.

Kooperationen

  • John P. Hayes (University of Michigan, Ann Arbor) – Zusammenarbeit im Rahmen des Humboldt-Forschungspreises für Prof. Hayes
  • Wenjing Rao (University of Illinois, Chicago)

Ausgewählte Publikationen: