Der Lehrstuhl für Informatik 12 (Hardware-Software-Co-Design) wurde 2003 durch die Berufung des Lehrstuhlinhabers, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich, neu eingerichtet. Im Oktober 2004 wurde die dem Lehrstuhl zugeordnete C3-Professur für Effiziente Algorithmen und Kombinatorische Optimierung durch Prof. Dr. Rolf Wanka besetzt. Im November 2012 wurde die dem Lehrstuhl zugeordnete W1-Juniorprofessur für Dependable Embedded Systems durch Prof. Dr.-Ing. Michael Glaß besetzt.
Die Ziele des Hardware-Software-Co-Designs bestehen darin,
die Wechselwirkungen von Hardware- und Softwareentwicklung zu untersuchen, und dabei insbesondere das Co-Design zu realisieren, d.h. den integrierten Entwurf von Systemen, die sowohl aus Hardware- als auch aus Softwarekomponenten bestehen. Vor dem Hintergrund der Komplexität integrierter Hardware-Software-Systeme erfordern diese Systeme den Einsatz von Entwurfsmethoden, mit denen effiziente Hardware- und Softwarekomponenten gemeinsam entworfen werden können, wobei es auch darauf ankommt, Entwurfsalternativen abzuwägen. für die Praxis Hardware-Software-Systemlösungen zu entwickeln und zu betreiben, die den technologischen Fortschritt, die fortschreitende Automatisierung höherer Entwurfshierarchien, die zunehmende Komplexität der Anwendungen insbesondere im Kontext der Rekonfigurierbarkeit und kostenoptimierte Realisierungen ausgewogen unterstützen. Algorithmen zu entwickeln und zu analysieren, die die vorhandenen Ressourcen effizient nutzen und dabei u.a. Methoden des Online Computing, der Approximationsverfahren und des Organic Computing anwendet.
Die Anwendungsgebiete, auf denen der Lehrstuhl arbeitet, umfassen insbesondere
Eingebettete Systeme, z.B. im Bereich der Automobilelektronik, effiziente Lösungen für Spezialaufgaben, z.B. im Bereich der Bildverarbeitung, mit Hilfe modernster rekonfigurierbarer Systeme, Autonome Systeme, z.B. im Bereich der Robotik und Curriculum-basierte Raum- und Zeitplanung für einen umfangreichen, fächerübergreifenden universitären Lehrbetrieb.
Prof. Teich ist Mitglied im "European Network of Excellence on High-Performance Embedded Architecture and Compilation (HiPEAC)".
Des Weiteren ist Prof. Teich Mitbegründer und Sprecher des Vorstands des Interdisziplinären Zentrums für Eingebettete Systeme (ESI, siehe http://www.esi.uni-erlangen.de) und seit September 2011 Mitglied der Academia Europaea. Prof. Wanka ist Vertrauensdozent/Mentor des Max Weber-Programms im Elite-Netzwerk Bayern und Mitglied des Vorstands der Fachgruppen "Algorithmen" und "Parallel -Algorithmen, -Rechnerstrukturen und -Systemsoftware (PARS)" der Gesellschaft für Informatik (GI).
ForschungsschwerpunkteDie Arbeitsgebiete des Lehrstuhls umfassen alle Aspekte des systematischen Entwurfs (CAD) eingebetteter Systeme, speziell die Arbeitsgebiete Ablaufplanung (Scheduling), Platzierung, Verdrahtung sowie Lastverteilung. Untersucht werden insbesondere innovative und adaptive Rechnerstrukturen und Spezialprozessoren (ASIPs, RISPs) und deren Programmierung sowie die Entwicklung von Methoden und Werkzeugen wie Simulatoren, Compiler und Prototypen. Ferner: Diskrete Optimierungsmethoden, insbesondere lokale und globale Suchverfahren, lineare Programmierung, Mehrzieloptimierungsverfahren und deren Anwendung im Kontext der optimalen Auslegung technischer Systeme. Gruppen
Leitung: Prof. Dr. Rolf Wanka
Die Arbeitsgruppe "Effiziente Algorithmen und Kombinatorische
Optimierung" untersucht Fragestellungen aus dem Bereich des
Parallelen Rechnens, der algorithmischen Graphentheorie und
der Optimierung durch Meta-Heuristiken.
Kombinatorische Aufgaben wie die Lösung des Erfüllbarkeitsproblems,
die Berechung von Rundreisen und Wegeplanung für Fahrzeuge
sind meist nur sehr langsam exakt zu bewältigen, weshalb
wir für diese Probleme Näherunglösungen entwickeln.
Häufig stößt man auf Optimierungsaufgaben, bei denen es
nicht bekannt ist, wie die Zielfunktion, die z.B. minimiert
werden soll, konkret aussieht. Deswegen untersuchen wir
sog. Meta-Heuristiken, die gute Ergebnisse erzielen
können, ohne dass man die Zielfunktion explizit kennt.
Diese Methoden lassen sich auch anwenden, wenn die
Zielfunktion zwar bekannt ist, es aber kein individuelles
Optimierungsverfahren gibt. Insbesondere entwickeln wir
mit Hilfe innovativer Techniken aus der Graphentheorie und
der natur-inspiriten Optimierung Verfahren, die eingesetzt
werden, um große Stunden- und Raumbelegungspläne für
Universitäten zu berechnen.
Im Gebiet des Parallelen Rechnens werden sog. Basis-Algorithmen
wie das effiziente Routing, die geschickte Lastbalancierung und
das schnelle Sortieren erforscht. Wie gut man diese algorithmischen
Aufgabe lösen kann, hängt häufig von einer graphentheoretischen
Eigenschaft des Parallelrechners ab, auf dem sie behandelt
wird, dem sog. Spektrum. Deswegen bestimmen wir für
populäre Graphen, die als Parallelrechner-Topologien
genutzt werden, diese Spektren. Diese Methoden werden
übertragen auf die Untersuchung von modernen
Peer-to-Peer-Netzwerken oder die Relevanz-Bewertung von
einzelnen Datensätzen.
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Michael Glaß, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Innerhalb der Arbeitsgruppe ”System-Level Design Automation” werden die wesentlichen Themen zum automatischen Entwurf eingebetteter Hardware- Software-Systeme auf Systemebene erforscht. Hierzu gehören maßgeblich die Bereiche Modellierung, Systemsynthese, Analyse, Optimierung und die Verifikation eingebetteter Systeme sowie deren Umsetzung in einem Entwurfswerkzeug.
Im Bereich der Modellierung und Synthese erforscht die Arbeitsgruppe einen auf Programmiersprachen basierenden Entwurfsfluss. Neben der Modellierung spielt auch die Systemanalyse eine entscheidende Rolle. Hierbei gilt es, Eigenschaften der möglicher Systemimplementierungen wie beispielsweise Kosten, Leistungsaufnahme oder Echtzeitfähigkeit durch Einsatz formaler sowie simulativer Methoden zu quantifizieren. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die automatisierte Untersuchung der Systemzuverlässigkeit. Die automatisierte Analyse der Systemeigenschaften ermöglicht eine Optimierung des Systems, die sogenannte Entwurfsraumexploration. Hierfür entwickelt die Arbeitsgruppe "System-Level Design Automation" speziell an den Entwurf eingebetteter
Systeme angepasste Meta-heuristische Optimierungsverfahren wie Evolutionäre Algorithmen, die zusätzlich mit formalen Methoden wie
SAT-Lösern hybridisiert werden. Im Bereich der Verifikation werden formale Methoden auf einem hohen Abstraktionsniveau eingesetzt, um die
Produkte in annehmbarer Zeit beweisbar korrekt und effizient zu
entwickeln.
Die Anwendungsdomänen des in der Arbeitsgruppe entwickelten Entwurfswerkzeugs reichen von System-on-a-Chips (SoCs), über Multi-Processor System-on-a-Chips (MPSoCs) bis zu vernetzten eingebetteten Systemen und spannen damit einen Bogen von beispielsweise Mobilfunkgeräten bis zur Bordelektronik im Kraftfahrzeug.
Leitung: Dr.-Ing. Frank Hannig, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Mikroprozessoren sind heutzutage allgegenwärtig, sie werden in technischen Produkten eingesetzt, in denen man bis vor kurzem noch gar keine 'Computer' erwartet hat: Mobiletelefone, Haushaltsgeräte, Medizintechnik, Unterhaltungstechnik, Automobiltechnik und Gebäudeautomatisierung, um nur ein paar Anwendungsgebiete zu nennen.
Gegenüber herkömmlichen Computern (PC, Arbeitsplatzrechner, etc.) sind diese so genannten ‚eingebetteten’ Systeme in hohem Maß auf eine bestimmte Klasse von Anwendungen spezialisiert. Die große Spezialisiertheit erfordert hinsichtlich mehrerer Kriterien optimierte Systeme. Zumeist haben eingebettete Systeme hohe Anforderungen an Rechenleistung, Kosten oder den Energieverbrauch. Neben den Fertigungskosten spielen die Entwicklungskosten und immer kürzer werdende Time-to-market-Zyklen eine wichtige Rolle.
Deshalb versuchen wir in der Arbeitsgruppe „Architecture and Compiler Design“ den Zyklus beim Entwurf anwendungsspezifischer Prozessoren zu verkürzen. Hierzu werden folgende Forschungsfelder betrachtet: CAD-Werkzeuge zur Modellierung, Simulation und Generierung von Architekturen, Compiler und Methoden zur Abbildung von Algorithmen auf diese Architekturen, sowie Multi- und Many-Core-Architekturen und deren Programmierung.
Es werden sowohl mikroprogrammierbare Prozessoren als auch dedizierte Hardware untersucht. Ziel beim Entwurf von mikroprogrammierbaren anwendungsspezifischen Prozessoren ist eine Architektur und Compiler Co-Generierung optimiert für eine ganze Klasse von Algorithmen (Benchmark). Viele Anwendungen, die einen hohen Datendurchsatz benötigen, können auch direkt in einem dediziert massiv parallelen System implementiert werden, d. h. ein höchstoptimiertes System (z. B. ein Coprozessor) realisiert genau eine Anwendung.
Aus den unterschiedlichen Zielarchitekturen (programmierbar oder dediziert) ergibt sich ein Trade-off zwischen Hardware-Software-Lösungen. Ein Lösungsansatz stellen hier rekonfigurierbare Architekturen dar. Rekonfigurierbare Rechenfelder und Prozessoren sind daher ein aktueller Bestandteil unserer Forschung.
Leitung: Dr.-Ing. Daniel Ziener, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Ziel der Aktivitäten in der Gruppe „Reconfigurable Computing“ ist die Erforschung von Grundlagen für den Entwurf von Rechensystemen, die die Fähigkeit besitzen, ihr Verhalten und ihre Struktur aus Effizienz- und Optimalitätsgründen an sich ändernde Anforderungen, Betriebs- und Umgebungsbedingungen dynamisch anzupassen, z.B. an neue Protokolle und Standards, andere physikalische Randbedingungen oder veränderliche Optimierungsziele. Aufgrund immer kürzer werdender Lebenszeiten von technischen Produkten werden solche Systeme mit der Fähigkeit der Rekonfigurierbarkeit auf unterschiedlichen Granularitätsebenen der Hardware immer wichtiger, denn nur sie sind in der Lage, für ein zur Entwurfszeit oft noch unklares Spektrum an unterschiedlichen Anforderungen jeweils optimale Lösungen zu bieten und hohe Redesignzeiten zu vermeiden. Auch lassen sich mit rekonfigurierbaren Lösungen, insbesondere in Verbindung mit geringen Stückzahlen, die Produktionskosten optimieren. Mit den erwarteten Erkenntnissen können in der Zukunft wiederum Ideen für neue Produkte, so z.B. selbstrekonfigurierende oder gar selbstheilende Rechensysteme, entstehen.
Als zentrale Problembereiche im Zusammenhang mit dem Entwurf rekonfigurierbarer Rechensysteme werden die Themenkomplexe Mechanismen und Effizienz der Rekonfiguration, Sprachen und Modelle, Entwurfsmethodik sowie Architekturen und Anwendungen untersucht.
Kooperationsbeziehungen
- Alcatel Lucent Technologies GmbH, Nürnberg
Altera, San Jose Audi AG, Ingolstadt Cadence Design Systems Inc., San Jose Carleton University, Ottawa, Kanada (Prof. Dr. F. Dehne) Continental Automotive GmbH, Babenhausen Daimler AG, Böblingen & Ulm Diehl Aerospace GmbH, Überlingen ETH Zürich, Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze (Prof. Dr. L. Thiele) FernUniversität Hagen (Prof. Dr. J. Keller) Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS), Erlangen IBM Deutschland Entwicklung GmbH, Böblingen Intel Mobile Communications GmbH, Neubiberg Leibniz Universität Hannover (Prof. Dr.-Ing. Ch. Müller-Schloer) Mentor Graphics Corp., München Siemens AG, Sektor Industry, Nürnberg Siemens AG, Sektor Healthcare, Forchheim Softgate GmbH, Erlangen Technische Universität Braunschweig, Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze (Prof. Dr. R. Ernst) Technische Universität Braunschweig (Prof. Dr. S. Fekete) Technische Universität Chemnitz (Prof. Dr.-Ing. Ulrich Heinkel) Technische Universität Dresden (Prof. Dr. R. Merker) Technische Universität Ilmenau (Prof. Dr. M. Dietzfelbinger) Technische Universität München (Prof. Dr. E. Mayr) Universität Karlsruhe, Forschungszentrum für Informatik (FZI) (Prof. Dr. J. Becker) Universität Paderborn (Prof. Dr. F. Meyer auf der Heide) Universität Paderborn (Prof. Dr. M. Platzner) Universität Rostock (Prof. Dr.-Ing. Christian Haubelt) University of Maryland, UMIACS (Prof. Dr. S. S. Bhattacharyya) Xilinx Inc., San Jose
| Leitung
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Professoren
Prof. Dr.-Ing. Michael Glaß
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka
Sekretariat
Ina Derr
Ina Hümmer
Juniorprofessur für Dependable Embedded Systems
Prof. Dr.-Ing. Michael Glaß
Professur für Informatik mit dem Schwerpunkt Effiziente Algorithmen und Kombinatorische Optimierung
Prof. Dr. rer. nat. Rolf Wanka
Wiss. Mitarbeiter
Hananeh Aliee, M. Sc.
Andreas Becher, M. Sc.
Dipl.-Ing. Markus Blocherer
Srinivas Boppu, M. Sc.
Marcel Brand, M. Sc.
Jörg Fickenscher, M. Sc.
Deepak Gangadharan, Ph.D.
Dr.-Ing. Frank Hannig
Faramarz Khosravi, M. Sc.
Vahid Lari, M. Sc.
Dr. rer. nat. Katja Lohmann
Dr. rer. nat. Sandra Mattauch
Dr.-Ing. Moritz Mühlenthaler
Alexander Raß, M. Sc.
Oliver Reiche, M. Sc.
Dipl.-Inf. Felix Reimann
Dipl.-Ing. Sascha Roloff
Rafael Rosales, M. Sc.
Dipl.-Inf. Moritz Schmid
Dipl.-Ing. Bernhard Schmidt
Christian Schmitt, M. Sc.
Dr.-Ing. Manuel Schmitt
Dipl.-Ing. Tobias Schwarzer
Fedor Smirnov, M. Sc.
Ericles Sousa, M. Sc.
Dipl.-Ing. Alexandru Tanase
Dipl.-Ing. Andreas Weichslgartner
Dr.-Ing. Stefan Wildermann
Dipl.-Inf. Michael Witterauf
Dipl.-Ing. Liyuan Zhang
Dr.-Ing. Daniel Ziener
Externes Lehrpersonal
Dr.-Ing. Thilo Streichert
Externe Doktoranden
Dipl.-Ing. (FH) Rainer Kiesel
Dipl.-Math. Jan Seyler
Bo Wang, M. Sc.
Yang Xu, M. Sc.
Nichtwiss. Personal
Dipl.-Phys. Andreas Bininda
Dr.-Ing. Joachim Falk
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