Forschung

1) Project CR4 - A Real-Time Computer Network with Transparent Transport of Field Bus and LAN Data

Bearbeiter: Ahmad Obeid

CR4 will be the forth result of the long-term ‘CarRing‘ project, which has started in 2005. The first result of this project was CarRing I, which was a pure network simulation. The second result was based on ten 32 bit soft-core processors of the Xilinx Microblaze type, which were synthesized for one Virtex 4 FPGA. These processors were run in parallel in order to execute protocols in software and cooperated with a bit serializer/deserializer in VHDL on the same FPGA that sent and received data with 1 Gbits/s. Then CR3 followed, which was a FPGA design in System C, that was realized completely in hardware without any CPU or software. It operated at 3.125 Gb/s with a time resolution of 12.8 ns. As all CarRing subprojects before, CR3 was developed as a revival of ring-based topologies. It was shown that rings are useful for real-time data transfers in vehicles for reasons of price, speed, cable lengths, weight and time-determinism. It was further shown that it is possible to implement highly-complex features of OSI layers solemnly in hardware without software or CPU. Layers 1-3 of CR3 were synthesized for a Virtex 5 FGPA, and boards for 5 CR3 nodes and routers were developed and are operational. Finally, CR4 is a significant upgrade of CR3 with respect to latency and functionality. It will include an improved "SentAt" feature, multicast operation, 256 parallel real-time bus emulations per CR4 system, and a deadlock-free and fast routing algorithm for inter-ring communication. The main feature of CR4, however, is its ‘Transparent Mode‘, which allows to connect in real time up to 4096 local area networks or field busses of all kinds and mixtures to the same amount of CR4 nodes. Each CR4 node transports its input data to any other node or node subset without user intervention. The user only has to configure which node serves for which field bus or local area network, and where the corresponding output nodes should be. Application areas for CR4 are in real-time communication-systems inside of land, air, and space vehicles and in process and factory automation. The project is funded by the German Science Foundation (DFG).

2) Projekt Rover - Ein autonom fahrendes Modellfahrzeug

Bearbeiter: dezeit keiner

Im Projekt Modell-Rover, das in enger Kooperation mit der Fa. IAV GmbH in Gifhorn entwickelt und gebaut wurde, stehen die Aufgabengebiete „Kommunikation im Automobil“, sowie „autonomes Fahren“ und „zentrale Steuerung von Lenkung, Antrieb und Sensorik“ im Vordergrund. Der Rover ist ein sich selbst steuerndes Fahrzeug, das in seiner mechanischen Konstruktion auf einem Stahlrahmen und einer Plastikkarosserie beruht. Es ist im Maßstab 1:5 (ca. 80x20x10 cm3) realisiert und spiegelt im Design einen Sportwagen wider. Der Rover enthält einen 32 Bit-Mikrocontroller von Atmel (AVR 32) als zentrales Steuergerät, sowie eine Elektroservolenkung, einen Elektroantrieb, einen Hallsensor als Weggeber und 6 Ultraschallsensoren. Es fährt programmgesteuert auf einer Bahnkurve, die in unserem Fall eine flach liegenden Acht implementiert. Detektieren die Ultraschallsensoren ein Hindernis auf dieser Bahn, wird die Geschwindigkeit reduziert und der Rover versucht, das Hindernis zu umfahren und danach wieder auf seine Bahnkurve zurückzukehren.

3) Projekt TUCar - Eine Testplattform für Kommunikation und Steuergeräte im Auto

Bearbeiter: Michael Eckerle

TUCar ist eine fahrende Testplattform zur Erprobung neuer Konzepte für Kommunikation und für Steuergeräte. TUCar soll für ein Auto der Zukunft die folgenden zwei Zielsetzungen erkunden und testen:

  • Eine verbesserte Datenübertragung zwischen allen Elektronikkomponenten
  • Eine Rezentralisierung der Steuergeräte (ECUs)

Für diese Punkte wurden die beiden Teilprojekte CarRing II bzw. ConPar definiert. Beim Teilprojekt CarRing II erfolgt die Intra-Auto-Kommunikation über ein EchtzeitRechnernetz anstelle von Feldbussen. Beim Teilprojekt ConPar wird eine Rezentralisierung der Steuergeräte durch Echtzeit-Emulation derselben in einem zuverlässigen Echtzeit-Parallelrechner durchgeführt. TUCar wurde zusammen mit dem Institut für Prozess- und Produktionsleittechnik der TU Clausthal entwickelt. Dieses Institut hat den mechanischen Teil des Projekts übernommen. TUCar wurde von der Volkswagen AG, der IAV GmbH und der Lenze GmbH gefördert.

4) Projekt HPC Cloud - Wissenschaftliches Rechnen in der Cloud

Bearbeiter: Alexander Keidel, Sara Esmaili und Arezoo Bozorgmehr

Cloud Computing hat sich zum neuen, allgegenwärtigen Vorbild für Rechen- und Speicherdienste entwickelt. Die Gründe dafür sind die Kostenabrechnung nach tatsächlich verbrauchten Ressourcen und die Anpassbarkeit an Benutzerwünsche. Firmen, Institute und Einzelpersonen können davon profitieren, indem sie ihre Rechen- und Speicherbedarfe von kommerziellen Cloud-Anbietern (CSPs) durchführen lassen, denn deren Dienste erstrecken sich mittlerweile von einfachen Daten-Backups bis hin zu kompletten virtuellen Rechenzentren. Diese Vorteile machen Cloud Computing auch für Wissenschaftler attraktiv, denn sie müssen dadurch nicht mehr eine eigene IT-Infrastruktur vorhalten und betreiben, sondern können diese an CSPs auslagern, die die Wissenschaftler-IT als „virtualisierte IT“ betreiben.
Allerdings wird die Situation komplizierter, wenn es um Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HPC) geht, wie es beispielsweise bei Simulationen oder bei der Analyse großer Datenmengen der Fall ist. Dies gilt, sobald diese Anwendungen auf einer Cloud ausgeführt werden sollen. Die Gründe dafür sind, dass HPC-Programme hoch effizient und skalierbar bleiben müssen, auch für den Fall, dass sie von mehreren oder sogar vielen virtuellen Cores, Prozessoren oder Servern parallelisiert ausgeführt werden. Leider ist dies in Standard-Clouds nicht gegeben, wie verschiedene Messungen gezeigt haben. Beispielsweise stellt das US Department of Energy (DoE), das für das Hoch- und Höchstleistungsrechnen in den U.S.A. zuständig ist, die Nützlichkeit von Clouds für HPC grundsätzlich in Frage.  Wir glauben, dass erhebliche Forschungsanstrengungen notwendig sind, um die Ausführungseffizienz von Clouds bei HPC zu verbessern. In dem Projekt HPC-Cloud werden diverse Urrsachen für Cloud-Ineffizienzen evaluiert, und es werden Vorschläge gemacht, wie man diese Probleme lösen bzw. umgehen kann. Dazu wird OpenStack als Cloud-Betriebssystem und OpenFoam als Beispiel-HPC-Code angeführt. Die Ergebnisse sollen auf andere Cloud-Betriebssysteme und andere HPC-Codes übertragen werden.

5) Projekt ConPar - Ein Parallelrechner zur Echtzeit-Emulation von Steuergeräten in Automobilen

Bearbeiter: Toni Kämmerer

ConPar ist ein Parallelrechner zur Emulation von Steuergeräten in Automobilen (ECUs). Seine Aufgabe ist es, kommerzielle ECUs in Echtzeit nachzuahmen und deren Software ohne Programmänderungen auszuführen. Aus der Sicht des Rechnerarchitekten muss ConPar Messwerte von Sensoren einlesen, multiple Tasks in Echtzeit verarbeiten und Ausgangssignale erzeugen. Typische Anwendungsgebiete von ConPar sind charakterisiert durch harte und weiche Echtzeitanforderungen bei gleichzeitig hoher Rechenleistung, die - trotz beschränkten Finanzbudgets - in weiten Grenzen von 2-256 Prozessoren skalierbar sein soll. Das ConPar-Verbindungsnetzwerk zur Interprozessor-Kommunikation basiert auf CarRing II. Die Anwendungen von ConPar liegen in der Re-Zentralisierung von ECUs, deren Zahl mittlerweile 100 erreicht hat, was im Auto  viel Platz- und Energie verbraucht und wegen der damit verbundenen Komplexität hohe Kosten und Probleme bei der Systemintegration verursacht. Ein ConPar-Rechner kann im Maximalausbau bis zu 256 ECUs ersetzen.

 

6) Projekt Web Zertifikat - Lebenslanges Lernen über universitäre Vorlesungen

Bearbeiter: derzeit noch niemand

Die New York Times hat 2012 zum Jahr der Massive Open Online Courses (MOOCs) ausgerufen, nachdem der Deutsche Sebastian Thrun aus Hildesheim an der Stanford University den ersten MOOC in Informatik angeboten und auf einen Schlag mehr als 90 Tsd. Kursteilnehmer im Internet hatte. Beim Projekt Web-Zertifikat der TU Clausthal werden die von Prof. Richter erstellten Lehrmaterialien über einen neu zu schaffenden Online Web Shop vertrieben. Im Web Shop kann man sich zu einer Prüfung bei einer der vier Vorlesungen von Prof. Richter anmelden und erhält nach Bestehen ein schriftliches Zertifikat von ihm. Die Prüfung erfolgt an der TU im Rahmen der üblichen Prüfungszeiten und wird zusammen mit den regulären studentischen Prüfungen durchgeführt. Der Download der Vorlesungen ist frei, die Prüfung an der TU Clausthal ist gebührenpflichtig. Der neu zu schaffende web-Server des Portals ist für folgende Aufgaben zuständig: 1.) dem Download aller E-learning-Vorlesungen und -Übungen, 2.) der Bezahlung der Gebühren für die Prüfung, 3.) der automatisierten Erstellung von Rechnungen und Quittungen.

 

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