Forschung

1) Project CR5 - A Real-Time Computer Network with Transparent Transport of Field Bus and LAN Data

Bearbeiter: Ahmad Obeid, Harald Richter

CR 5 is the fifth 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, CR II, 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 as physical link speed. Then CR 3 followed, which was already a FPGA design in SystemC, that was realized completely in hardware without any CPU or software. It operated at a physical link speed of 3.125 Gb/s with a time resolution of 12.8 ns. The successor, CR 4, was a complete redesign of the SystemC code for the FPGA and implemented the first 3 ISO layers, as well as additional functions such as automatic periodic transmissions at prescribed points in time, multicast and global time. CR 4 could also improve the effective user bandwidth and reduce the end-to-end latency. CR4 was a significant step forward with respect to latency and functionality. The main feature of CR4 was 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 are located in a CR system. Application areas for CR 4 and its Transparent Mode are seen in real-time communication-systems inside of land, air, and space vehicles and in process and factory automation.

The successor, CR 5, is a complete redesign of the hardware of CR 4, including node and router boards. Now, price and miniaturization was an issue and again speed. The physical link speed we have now has increased from 3.125 Gb/s to 50 Gb/s at a cable length of 2,50 m which is considered to be the technical limit so far. Layers 1-3 of CR 5 were synthesized for a Kintex 7 FGPA, and 20 boards for CR 5 nodes and routers were developed and built and are now in the testing phase.

All CarRing subprojects were developed as a revival of ring-based topologies. It was shown that rings are useful for real-time data transfers in vehicles and machines 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 by means of state-of-the-art SystemC synthesis tools without software or CPU.

The project was funded by the German Science Foundation (DFG).

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

Bearbeiter: Harald Richter

TUCar ist eine fahrende Testplattform aus Golf-Teilen, die zur Erprobung neuer Konzepte für Kommunikation und für Steuergeräte dient. 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 bzw. ConPar definiert. Das CarRing-Teilprojekt ist seit Juni 2018 erfolgreich abgeschlossen, ConPar wartet auf seine Ausführung. CarRing wird derzeit so konfiguriert, dass es die Sensoren und Aktoren im TUCar bedienen kann und danach in das TUCar eingebaut. Es ersetzt die Intra-Auto-Kommunikation über ein EchtzeitRechnernetz anstelle von Feldbussen. Beim Teilprojekt ConPar soll eine Rezentralisierung der Steuergeräte durch Echtzeit-Emulation derselben in einem zuverlässigen Echtzeit-Parallelrechner durchgeführt werden. Der mechanischen Teil von TUCar wurde zusammen mit dem Institut für Prozess- und Produktionsleittechnik der TU Clausthal entwickelt.

TUCar wurde von der Volkswagen AG, der IAV GmbH, der Lenze GmbH und der TU Cl. gefördert.

3) Projekt Cloud-Efficient Modelling and Simulation of Magnetic Nano Materials

Bearbeiter: Pavle Ivanovic

The project applies cloud technology in material science and has an strong emphasis on algorithmic changes. It deals with the modelling and simulation of magnetic nano materials by means of a compute cloud, which is not yet efficiently possible. Magnetic materials can be described by the Maxwell equations and by the so-called Landau-Lifschitz-Gilbert equation (LLGE). The LLGE models the static and dynamic behaviour of small magnetic dipoles, which are created and manipulated in a material under the influence of an external magnetic write field. The goal of the project is the efficient numerical solution of the LLGE by means of a standard cloud as computing tool. The key feature of the proposal is that the algorithms and solvers needed for the LLGE are explicitly tailored to the specific properties compute clouds have, which are high intra-server and low inter-server communication performance. As a consequence, new algorithmic approaches must be devised, implemented and tested for solving the LLGE in a cloud in an efficient way. The goal is that all simulations needed for research on non-volatile nano-scale computer memories can be carried out in a standard compute cloud, because substantial algorithmic improvements in the solvers for the LLGE were made. The project will thus open-up the simulation and construction of future computer memories to a huge community of researchers, because sophisticated tools, such as scanning tunnel microscopes, supercomputers or parallel computers, are reduced.

Das Projekt wird vom Simulationswissenschaftlichen Zentrum Clausthal-Göttingen (SWZ) gefördert.

4) Projekt Handwerker-Cloud - Einfach nutzbare und bedienbare Virtualisierung und Cloud Services für den kleinen Gewerbetreibenden und den Mittelstand

Bearbeiter: Ahmad Obeid, Elena Loseva, Grün Software AG

Eine einfach nutzbare und leicht bedienbare Virtualisierung von proprietären Anwendungen mit Unterstützung durch Cloud-Services für Handwerker, kleine Gewerbetreibende, kleine Vereine, Verbände, Schulen, öffentliche Verwaltungen sowie den Mittelstand gibt es nicht. Deswegen nutzt die vorgenannte Zielgruppe spezialisierte Software-Branchenlösungen ohne den Komfort, den eine Cloud bietet. Deswegen sind Clouds für nicht IT-Fachleute viel zu kompliziert. Dieses Projekt soll eine ganz neue Bedienbarkeit bei der Installation, Konfiguration und Bedienung einer Cloud und den darauf laufenden Anwendungen ermöglichen, unter Berücksichtigung der für die Installation von Betriebssystem, Cloud und Benutzeranwendungen relevanten Hardware und der vorhandenen Gerätetreiber des Kunden. Damit soll der Kunde in die Lage versetzt werden, auf einfache Weise Cloud-Technologie für seine Branchen-Software zu verwenden, was ihm u.a. Kostenvorteile bei der Administration und der Wartung seiner IT einbringt. Für das Projekt werden prototypisch Code-Transformationswerkzeuge für die Installationsskripte und Bedienoberflächen zu entwickelt. Die "Handwerker­Cloud" wird mit Hilfe von OpenStack erstellt und auf einfache Weise graphisch bedienbar sein.

Das Projekt wird zusammen mit und für die Grün Software AG in Aachen durchgeführt und von der AiF im Rahmen von ZIM gefördert.

5) Projekt Energieeffizienzsteigerung in Rechenzentren durch die Verschiebung virtueller Maschinen an Standorte mit hohem Anteil erneuerbarer Energien

Bearbeiter: Christian Pape, FH Fulda

Die Virtualisierung ist eine Software-Technologie, die komplette PCs oder Server in Software nachstellt, so dass ein Benutzer dieser „virtuellen Maschinen“ keinen Unterschied mehr zu realer Hardware erkennen kann. Der Ersatz realer Geräte durch Software mit Hilfe von Virtualisierung ist mit diversen Vorteilen verbunden, wie z.B. dass ein einziger realer Server gleichzeitig 10-15 virtuelle Maschinen emulieren kann, was sehr kosteneffizient ist. Dementsprechend bedienen Rechenzentren ihre Kunden mit Hunderten oder Tausenden solcher virtuellen Maschinen und verbrauchen für die sie emulierenden realen Server viel elektrische Energie. Die Idee bei diesem Projekt liegt darin, durch „Verschieben“ dieser virtuellen Maschinen an Rechenzentren mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien, eine Effizienzsteigerung beim Stromverbrauch zu erreichen. Dabei hilft es, dass es wesentlich leichter ist, viele Bits über das Internet zu transportieren als viel Strom über Leitungen. Dementsprechend sollen virtuelle Maschinen in Form von Bits vom Süden Deutschlands dynamisch an Rechenzentren in Norden verteilt werden, und zwar in Abhängigkeit vom lokalen Windangebot. Die Fragestellung dabei ist u.a., welche virtuelle Maschinen gemeinsam an denselben Zielstandort verschoben werden müssen, weil sie während des Betriebs Daten miteinander austauschen, denn Datentransfers sind mit Kosten verbunden. Des Weiteren soll der Benutzer nicht anhand einer erhöhten Latenz erkennen, dass seine virtuelle Maschinen an einen entfernten Standort verschoben wurde und jetzt dort ausgeführt wird.

6) Die Ersetzung von Prozessoren durch FPGAs - Oder wie man Software durch Hardware ersetzt

Bearbeiter: Florian Pramme, FH Wolfenbüttel

Der größte Prozessorhersteller der Welt, die Fa. Intel hat unlängst den zweitgrößten FPGA-Hersteller, die Fa. Altera, übernommen. Der Grund dafür ist, dass FPGAs programmierbare Logikbausteine sind, die intern massiv parallel arbeiten können. So erlaubt ein einzelner FPGA-Baustein, gleichzeitig Zehntausende von Gleitkommaoperationen ausführen, während selbst der schnellste Intel Prozessor nicht einmal 100 simultane Rechenoperationen erreicht. Das Problem bei FPGAs besteht in ihrer Programmierung. Die dazu verwendeten Programmiersprachen VHDL und SystemC stellen Software-Entwickler vor große Herausforderungen, da es keine Software ist, die für einen Prozessor kompiliert wird, sondern ein FPGA Design, das für einen Chip synthetisiert werden muss. Eine Chipsynthese unterscheidet sich jedoch fundamental von der Kompilation eines Programms und kann nicht ohne Spezialkenntnisse durchgeführt werden. Im vorliegenden Projekt wird versucht, in gegebenen C und C++ Programmen diejenigen Stellen, in denen besonders viel Rechenzeit verbraucht wird, halbautomatisch in ein FPGA auszulagern, um so den Code zu beschleunigen. Das zu erstellende Werkzeug soll den Übergang von Prozessorprogrammierung zur Chipsynthese vereinfachen und so Software durch Hardware ersetzen.

 

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