• Prof. Dr.-Ing. J. Teich (Datentechnik, Universität Paderborn, Koordinierung)
• Prof. Dr. M. Glesner (Mikroelektronische Systeme, TU Darmstadt)
• Prof. Dr. F. Rammig (Methodik des Systementwurfs, Universität Paderborn)
• Prof. Dr. W. Rosenstiel (Technische Informatik, Universität Tübingen)
• Prof. Dr. H. Schmeck (Angewandte Informatik und Formale Beschreibungssprachen, Universität Karlsruhe)

Motivation und Potentiale

Der erfolgreiche Einzug von rekonfigurierbaren Rechensystemen in technische Produkte von Morgen, die durch den rasant wachsenden Markt eingebetteter elektronischer Systeme bestimmt sind, bedarf der Zusammenführung und Kooperation eines interdisziplinären Teams von Spitzenforschergruppen, bestehend aus Technologen (System-on-Chip(SoC)-Technologie, Analog/Digital-Design), aus Rechnerarchitekten (Multiprozessortechnik, fehlertolerantes Rechnen), aus Experten im Bereich der systemnahen Programmierung (Compiler, Betriebssysteme), aus Anwendern (z.B. Signal- und Bildverarbeitung) sowie aus Experten im Bereich der Entwurfsmethodik für heterogene Systeme (Modellierung, Partitionierung, Scheduling etc.). Eine solche, nur im Rahmen eines Schwerpunktprogramms mögliche, Förderung könnte eine führende Stellung Deutschlands im Bereich innovativer rekonfigurierbarer und adaptiver Systeme unterstützen.

Es ist zu erwarten, dass die wissenschaftlich-technischen Ergebnisse des beantragten Schwerpunktprogramms dazu beitragen werden, SoC-Technologie für ein breites Feld von Anwendungen in der Zukunft effizient nutzbar zu machen. Aufgrund immer kürzer werdender Lebenszeiten von technischen Produkten werden universell auf verschiedenen Hard- und Software-Ebenen rekonfigurierbare Systeme immer wichtiger werden, 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 Redesign-Zeiten 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.

Zusammenfassung des wissenschaftlichen Programms

Der ungebrochene Fortschritt der Miniaturisierung in der Halbleitertechnik hat dazu geführt, dass Heute ganze Systeme mit mehreren Prozessoren auf einem Chip der Größe eines Fingernagels integriert werden können (System-on-Chip-Technologie (SoC)). Hochkomplexe Rechensysteme tendieren zu spezifischen Systemlösungen für ganz spezielle Anwendungen. Durch die dadurch implizierten geringen Produktionsstückzahlen ist die Wirtschaftlichkeit derartiger SoC-Lösungen jedoch fraglich.

Rekonfigurierbare Rechensysteme eröffnen durch ihre Flexibilität auf Hardwareebene das Potential, SoC-Lösungen in hoher Stückzahl für eine breite Klasse von Anwendungen nutzbar zu machen. Sie besitzen die Fähigkeit, sich neben der konventionellen Programmierung durch Software auch in der Hardware an die Erfordernisse einer aktuellen Anwendung und Umgebung dynamisch und flexibel anpassen zu können.

Auch wenn erste elementare Prinzipien der Hardware-Rekonfigurierbarkeit, insb. rekonfigurierbare Funktionseinheiten, programmierbare Logik, schaltbare Verbindungen und andere Techniken bereits technisch verfügbar sind, erfordert der Entwurf und die Nutzung rekonfigurierbarer Hardware völlig neuartige Entwurfsverfahren.

Ziel des geplanten Schwerpunktprogramms Rekonfigurierbare Rechensysteme ist es daher, Rechensysteme mit der Fähigkeit der zeitlichen Veränderbarkeit der Funktionalität und Struktur der Hardware zu untersuchen und dafür Architekturen und Entwurfsverfahren bereitzustellen und anhand von Anwendungen zu validieren bzw. zu verifizieren. Das Potential der Rekonfigurierbarkeit soll dabei sowohl für datenverarbeitende Einheiten, Kommunikationskomponenten (Schalter, Busse, Netzwerke) als auch für Speicher (Größe, Organisation, Puffer) untersucht werden. Die Aufgabenstellungen und geplanten Vorgehensweisen werden für die folgenden zentralen Themenkomplexe kurz skizziert:

Sprachen und Modelle: Im Systementwurf sind bislang keine Modelle für Anwendungen und Architekturen bekannt, die das Potential haben, sich im Betrieb zu verändern. Arbeiten auf dem Gebiet des Hardware/Software Codesigns könnten hier als Ausgangspunkt für neue oder Erweiterungen bekannter Modelle und Sprachen dienen.

Architekturen und Anwendungen: Als Architekturen sollen gleichsam FPGA-basierte Architekturen, rekonfigurierbare Datenpfade auf der Register/Transfer-Ebene, Prozessoren mit konfigurierbarem Instruktionssatz und Systeme mit dynamisch rekonfigurierbaren Netzwerken betrachtet werden.

Analyse: Gesucht sind Kostenfunktionen, die einem Systementwickler einen Kosten/Nutzen-Vergleich ermöglichen. Des Weiteren sollen Untersuchungen erfolgen, auf welchen Ebenen und in welcher Art man Rekonfigurierbarkeit im implementierten System am Besten nutzen sollte.

Entwurfsverfahren: Erforschung durchgängiger Methoden zur Unterstützung des Entwurfs rekonfigurierbarer Systeme und Werkzeugentwicklung. Diese Methoden betreffen retargierbare Compiler, Echtzeitbetriebssysteme und neue Synthesewerkzeuge. Ein zentrales Entwurfsproblem ist hier die dynamische Rekonfiguration zur Laufzeit. Untersucht werden sollen daher Verfahren der dynamischen Hardware/Software-Repartitionierung, der Online-Ablaufplanung als auch der Untersuchung von Mechanismen der Selbstrekonfiguration und -adaption. Ebenfalls sollen Verfahren der Verifikation rekonfigurierbarer Systeme (Cosimulation und formale Verifikation) erstmals untersucht werden.

Als konkrete Resultate erwarten wir unter anderem Kosten/Nutzen-Funktionen für den Einsatz rekonfigurierbarer Hardware im Systementwurf sowie eine erste Generation von Entwurfsmethoden und -werkzeugen, die den Entwurf und die Programmierung rekonfigurierbarer Rechensysteme ermöglichen.

Abgrenzung

Bei dem Treffen der vier Schwerpunktprogramme Softwarespezifikationen, Eingebettete Systeme, Rapid Prototyping und Kondisk in Braunschweig im Juni 2001 wurde von den Koordinatoren übereinstimmend festgestellt, dass weder in diesen, noch in anderen aktuell geförderten Schwerpunktprogrammen der Aspekt der statischen und dynamischen Rekonfigurierbarkeit von Hardware im Systementwurf und -betrieb erfasst wird und dass man zur Zeit nicht in der Lage ist, dieses Potential gezielt auszunutzen. Als zentrale Problemstellungen wurden vor allem fehlende Modelle zur Darstellung von Rekonfigurierbarkeit, fehlende Entwurfsverfahren zur Unterstützung von rekonfigurierbaren Hardwarearchitekturen und fehlende Kosten/Nutzen-Abschätzungen für den Einsatz rekonfigurierbarer Hardware erkannt. Einstimmig wurde hier übereingekommen, dass hier ein erhebliches Forschungspotential besteht. Die obigen Fragestellungen sind daher zentral für unser geplantes Schwerpunktprogramm.