Selbst ist der Chip

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Trotz unzähliger Transistoren sind heutige Chips noch nicht auf alle Herausforderungen der Digitalisierung vorbereitet. Denn in Zukunft müssen sie sich auch selbst überwachen und steuern können

Anlagen in modernen Fabriken machen eine Menge selbst. Sie erfassen und analysieren mittels Sensordaten ihren gegenwärtigen Status und fällen anhand von Prognosen eigenständige Entscheidungen. In dem Zusammenhang hört man nicht selten den Begriff der digitalen Zwillinge („Digital Twins“). Mit diesen virtuellen Abbildern von Maschinen, Anlagen oder sogar ganzen Produktionsbereichen lassen sich Störungen vorhersagen, Wartungsintervalle optimieren, Fehler erkennen und beheben, aber auch IoT-Installationen passgenau konfigurieren. Sie simulieren die gesamte Wertschöpfungskette und integrieren zusätzliche Fähigkeiten wie etwa die der künstlichen Intelligenz. Für die Analysten von Gartner gehören Digital Twins zu einer der zehn wichtigen Technologietrends 2018.

Aus groß mach klein

Was im Grossen funktioniert, will nun ein deutsch-amerikanisches Forschungs-Team prinzipiell auf Computer-Chips anwenden. Nur fingernagelgroß bestehen die mittlerweile aus Milliarden von Transistoren und erfordern komplizierte Steuerungen für Schaltfrequenz, Energieverbrauch und Temperatur, um Überlastungen zu verhindern. Die Daten liefert ein Netz von Sensoren auf den Chips. Im Laufe der Entwicklung ist da eine Vielzahl derartiger Steuerungen entstanden, die nebeneinander, teilweise sogar gegeneinander arbeiten. Deswegen werden für sicherheitskritische oder hochzuverlässige Anwendungen solche Schaltungen sehr konservativ ausgelegt. Das Resultat: Es geht eine Menge an Leistungspotential verloren.

Autonome Chips mit „smarter“ Steuerung

Um das zu verhindern, müssen in zukünftigen Computer-Chips die Überwachungs- und Kontrollfunktionen autonom ablaufen. Das Bauteil beobachtet und steuert sich also selbst. Diese Fähigkeit bezeichnet man als „Self-Awareness“. Eine intelligente, lernende Steuerung setzt dazu auf einem ständig aktualisierten Selbstbild des Chips auf. Die „Intelligenz“ sitzt dabei zumindest teilweise auf dem Bauteil. In einem nächsten Schritt sollen die Chips dann ihre Zustände untereinander auszutauschen, um auch übergreifende Planungen via „Cloud“ zu ermöglichen.

Erst einmal müssen allerdings die Grundlagen dieser „Self-Awareness“ und ihre Nutzung im Chip erarbeitet werden. Am TUM sucht man dazu aktuell einen Doktoranden, der die neuen Konzepte für Multicore-Prozessor-SoCs auf einer FPGA-basierten Platform entwickeln soll.

Zum Projekt

Im Rahmen von „Information Processing Factory“ entwickelt seit dem 01. Januar 2018 ein deutsch-amerikanisches Forschungsteam aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Technischen Universitäten Braunschweig und München sowie der University of California eine neue Generation von Computer-Chips. Mit rund zwei Millionen Euro wird das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) gefördert.

 

 

 

 

 

Autonome Chips (Bild: TUM)

Die Prinzipien moderner Fabriken sollen in Zukunft auch für Computer-Chips gelten. (Bild: TUM).