Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn entwickeln sichere und energieeffiziente Chips
Die Digitalisierung durchdringt mittlerweile weite Bereiche der Alltags- und Arbeitswelt. Komplexe Algorithmen und künstliche Intelligenz (KI) können immer größere Datenmengen in kurzer Zeit analysieren. Für Aufgaben wie z. B. das autonome Fahren oder Industrie 4.0 sind Prozessoren erforderlich, die neben einer hohen Rechenleistung auch hinsichtlich ihrer Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit kritische Anforderungen erfüllen müssen. Im nun beendeten Verbundprojekt „Scale4Edge“ („Skalierbare Infrastruktur für Edge-Computing“) wurde ein Ökosystem zur einfacheren und schnelleren Entwicklung von Halbleiterchips für Spezialanwendungen geschaffen. Daran beteiligt waren neben der Infineon Technologies AG als Verbundprojektleitung auch Wissenschaftler*innen am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn und 18 Projektpartner*innen, darunter Industriefirmen sowie weitere Universitäten und Forschungseinrichtungen. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) hat das Vorhaben im Rahmen der Initiative „Zukunftsfähige Spezialprozessoren und Entwicklungsplattformen“ (ZuSE) über einen Zeitraum von 5,5 Jahren mit rund 30 Millionen Euro gefördert.
Edge-Computing: Die Zukunft der dezentralen Datenverarbeitung
Das Verbundprojekt erforschte, wie Entwicklungszeit und -kosten anwendungsspezifischer Edge-Prozessoren signifikant reduziert werden können. Beim sogenannten „Edge Computing“ werden Daten nicht in zentralisierten Clouds oder Rechenzentren, sondern dort verarbeitet und gespeichert, wo sie entstehen, also dezentral am Rand (Englisch „Edge“) von Netzwerken, z. B. in Fabrikhallen, in der Medizintechnik oder im Straßenverkehr. „Mit Edge Computing wird die digitale Transformation nicht nur schneller, sondern auch intelligenter, effizienter, sicherer und präziser. Zudem ist eine nahezu sofortige Reaktion auf Ereignisse möglich“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Müller, Projektleiter am Heinz Nixdorf Institut. Insbesondere in sensiblen und zeitkritischen Branchen wie Fertigung, Gesundheitswesen und Verkehrstechnik eröffnet „Edge Computing“ neue Möglichkeiten: „Predictive Maintenance“, also vorausschauende Wartung in der Produktion, oder schnellere medizinische Diagnostik auf Basis von Patient*innendaten. Durch die Nutzung leistungsstarker KI-fähiger Computer können Unternehmen dem gesteigerten Bedarf an Geschwindigkeit, Skalierbarkeit und Sicherheit gerecht werden.
RISC-V für sichere und leistungsfähige Edge-Chips
Die Arbeiten der Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn konzentrierten sich auf den Entwurf und Test von zuverlässigen RISC-V-Prozessoren für anspruchsvolle Anwendungen. RISC-V ist eine offene Befehlssatzarchitektur, mit der Entwickler*innen schnell und kostengünstig neue (Edge-)Prozessoren gestalten können – ohne Lizenzgebühren, dafür mit offener, transparenter und damit vertrauenswürdiger Technologie. Das Ergebnis: kommerziell verfügbare, individuelle Prozessoren, die besonders zuverlässig, performant und robust sind, eingebettet in eine skalierbare und flexibel erweiterbare Entwicklungsplattform. Zudem haben die Forscher*innen in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) mehrere Verfahren und Komponenten für fehlertolerante Prozessarchitekturen entwickelt. Insbesondere haben sie schnelle Datenschnittstellen wie „SerDes“ (für effiziente Datenübertragung) und „CDR“ (für fehlerfreie Datenübertragung) erfolgreich in mehreren Technologien entwickelt und in die Fertigung gebracht. Dabei handelt es sich um entscheidende Bausteine für moderne 22-Nanometer (nm)- und 130nm-Chips, die auch unter schwierigen Bedingungen Daten schnell und zuverlässig übertragen. Außerdem haben die Wissenschaftler*innen eine Implementierung der sogenannten HiRel-TETRISC-Architektur realisiert und in Teilen frei verfügbar (Open Source) gemacht, was eine sichere und nachhaltige Chip-Entwicklung ermöglicht.
„Scale4Edge stärkt nachhaltig die Technologiesouveränität Deutschlands: Durch die Entwicklung von kommerziell verfügbaren, innovativen Prozessorarchitekturen, Softwarelösungen und verifizierter Sicherheitsansätze für Edge-Anwendungen wird nicht nur die nationale Kompetenz im Halbleiter- und Systementwurf gefestigt, sondern auch die Datensouveränität in der Endanwendung erhöht – ganz im Sinne eines sicheren, unabhängigen und zukunftsfähigen Technologiesystems“, resümiert Prof. Müller.
