Fachgebiet Entwurf Mikroelektronischer Systeme (EMS)

Forschungsgebiete

Beim Entwurf mikroelektronischer Systeme geht es darum, eine optimale Realisierung unter gegebenen Randbedingungen zu entwickeln. Diese sind im Allgemeinen unterschiedlichster Natur; z.B. gibt es Spezifikationen hinsichtlich der Funktionalität, begrenzte Energiereserven oder eine festgelegte Zieltechnologie. Um der Vielzahl an Freiheitsgraden beim Entwerfen Herr zu werden, betrachten wir Systeme unter den drei Gesichtspunkten Anwendung, Entwurfsmethodik und Architektur.

Zu Beginn des Entwurfs wird zunächst der Anwendungszweck des Systems genau definiert und analysiert. Hier kommt es (nicht zuletzt durch die sehr kurzen Produktzyklen) bereits häufig vor, dass genaue Spezifikationen (noch) nicht vorhanden sind und sich erst im Laufe der Entwicklung ergeben oder sich wieder ändern. Unser Schwerpunkt in der Anwendung liegt vor allem bei nachrichtentechnischen Systemen (drahtlose Kommunikation, Codierungsstandards, MIMO-Systeme), die vor allem in mobilen Endgeräten hohe Anforderungen hinsichtlich Durchsatz und Energieeffizienz zeigen. Wir untersuchen aber auch Ambiente Systeme und die Beschleunigung von extrem komplexen finanzmathematischen und wissenschaftlichen Simulationen.

Die Implementierung des Systems kann in einer Vielzahl von Architekturen und Implementierungsstilen durchgeführt werden, wie besipielsweise programmierbare Hardwarebausteine (FPGAs), Anwendungsspezifische Integrierte Schaltungen (ASICs) oder Application Specific Instruction-Set Processors (ASIPs). Neben der Optimierung auf Mikroarchitekturebene beschäftigen wir uns mit heterogenen Systemen, die verschiedene Komponenten vereinen, mit Networks-on-Chip und mit 3D-DRAM.

Um optimale Entwurfsstrategien zu ermitteln stehen uns verschiedene Methodiken zur Verfügung, die uns schon frühzeitig Aussagen z.B. über Flächen- und Energieverbrauch oder Fehlertoleranz der entwickelten Hardware erlauben. Dies erlaubt uns durch Rapid Prototyping umfangreiche Untersuchungen des Entwurfsraums (Design Space Exploration) durchzuführen. High-Level Synthese kommt hierbei ebenso zum Einsatz wie die manuelle Verfeinerung eines Systems vom funktionalen Modell bis zur Hardwarebeschreibung.

Kommunikationstechnik

Digitale Kommunikationssysteme sind im Zeitalter der Globalisierung und weltweiten Vernetzung unentbehrlich geworden. Wir erforschen neue Systeme zur Signalverarbeitung und für den Basisbandbereich bzw. PHY-Layer. Die Forschung umfasst dabei den kompletten Weg von Theorie und Algorithmen der Nachrichtentechnik, über Architekturen, bis hin zur Chip Implementierung. Dabei arbeiten Nachrichtentechniker und Hardwaredesigner am Lehrstuhl eng zusammen.

Ausgewählte Projekte:

DRAM

3D-DRAMs (Wide-I/O) sind ein sehr vielversprechender Ansatz für mobile Geräte wie Tablet-PCs und Smartphones. Aber auch im Serverbereich besteht durch die hohe Bandbreite und die Energieeffizienz ein großes Potential für diese neue Speicherarchitektur. In unserer Arbeitsgruppe entwickeln und evaluieren wir neuartige DRAM-Architekturen, die Implementierung von DRAM Controllern und das thermische Verhalten von Wide-I/O DRAM mit Hilfe von virtuellen Plattformen.

Ausgewählte Projekte:

Zuverlässigkeit

Durch die ständige Verkleinerung der Strukturgrößen in der Mikroelektronik können Prozessschwankungen und Umwelteinflüsse nicht länger vernachlässigt werden. In unserer Forschung konzentrieren wir uns auf die Hardware-Zuverlässigkeit in drahtlosen Kommunikationssystemen, so wie in Speichern (SRAM, DRAM). Drahtlose Systeme haben eine inhärente algorithmische Fehlertoleranz und sind deshalb besonders geeignet um Systemperformanz, Hardware-Zuverlässigkeit und Implementierungseffizienz gegeneinander abzuwägen.

Ausgewählte Projekte:

Energieeffizientes High Performance Computing

Unser Lehrstuhl entwickelt und bewertet neue Methoden, die beim Entwurf heterogener Plattformen für High Performance Computing-Anwendungen helfen. Im Speziellen konzentrieren wir uns auf die Beschleunigung von anwendungsübergreifenden Rechenaufgaben, sogenannten "Kernels".

Insbesondere analysieren wir die möglichen Beschleunigungsfaktoren sowie das Energieeinsparpotential durch den Einsatz von FPGAs in finanzmathematischen Simulationen. Wir arbeiten dabei mit neuesten Entwicklungswerkzeugen (High-Level-Synthese, Maxeler Designflow, Vivado Design Flow) sowie den aktuellsten Hardware Plattformen wie der Xilinx Zynq EPP.

Ausgewählte Projekte:

Ambient Systems

Drahtlose Sensornetzwerke sammeln Informationen aus der realen Welt und bilden das Rückgrat zukünftiger Services (Internet of Things, Cyber Physical Systems), die unser Privat- und Arbeitsleben erleichtern sollen. In unseren Forschungen betrachten wir das Thema interdisziplinär von unterschiedlichen Seiten, entwickeln Lösungen und testen deren Zweckdienlichkeit im praktischen Einsatz.

Ausgewählte Projekte:

Virtuelle Prototypen

Unternehmen müssen sich heutzutage mit komplexen Hardwarearchitekturen wie z.B. heterogenen Multi-Core-Systemen beschäftigen. Daher sind neue Entwicklungswerkzeuge und -ansätze wie Virtuelle Prototypen für ein effizientes und schnelles Design auf Systemebene erforderlich. In unserer Forschung verwenden wir SystemC und gem5 basierte virtuelle Plattformen für eine gründliche Design Space Exploration auf Software- und Hardwareebene.

Ausgewählte Projekte:

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