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Autonome Chips erkennen defekte Teile und reparieren sich selbst

22.02.2010
Elektronische Systeme müssen in Zukunft flexibel im Betrieb auf Störungen und Veränderungen der Umwelt, die bei der Planung des Systems noch nicht bekannt sind, reagieren.

Dafür sind Lösungen zu finden, um einen Chip oder dessen System mit Eigenschaften auszurüsten, die eine autonome Reaktion im Betrieb ermöglichen. Die Kosten für ein solches, neues autonome System dürfen aber nur moderat wachsen. Hier setzte das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Clusterforschungsprojekt "Autonome integrierte Systeme (AIS)" (Förderkennzeichen 01M3083), an.

Die elektronische Vernetzung großer Systeme, wie sie in einer Vielzahl von Produkten des täglichen Lebens - allen voran das Automobil - eingesetzt werden, erfolgt durch drahtgebundene und drahtlose Signale und elektronische Kommunikationsknoten. Störungen auf und in diesem System dürfen besonders bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie Fahrerassistenzsystemen keine negativen Auswirkungen auf die Funktion dieser Komponenten hervorrufen.

Um eine hohe Ausfallsicherheit zu erreichen, werden mehrfach redundante Systeme eingesetzt. Dazu werden drei Computer mit der gleichen Aufgabe gestartet und die Ergebnisse verglichen. Kommen zwei Computer zu dem gleichen Ergebnis, kann das dritte Ergebniss fehlerhaft sein. Eine solche Lösung ist gegenüber der einfachen Variante dreimal so teuer. Dies ist beispielsweise in der Luftfahrt akzeptabel, nicht aber in vielen anderen Bereichen. Verschärft wird das Problem in Zukunft mit den neuen Technologien der Nanoelektronik, da diese empfindlicher auf Umwelteinflüsse reagieren, was zu kurzzeitigen Betriebsstörungen führen kann.

Ein mögliches Anwendungsszenario im Auto:

Durch zu hohe Strahlung einer radarbasierten Abstandsregelung, die bei der Spezifikation nicht berücksichtigt wurde, wird ein Kommunikationschip im Auto geschädigt, wodurch die Übertragung fehlerfreier Signale im Auto nicht mehr gewährleistet ist. Das System erkennt selbstständig diesen Fehler und entscheidet, die Kommunikation auf Reservemodule zu verlagern und wiederholt die Übertragung. Sollte diese Maßnahme nicht ausreichen, werden alle Komfortfunktionen abgeschaltet, um Reserven für sicherheitskritische Anwendungen zu erhöhen. Das System repariert sich autonom, der Fahrer wird lediglich über die erfolgreiche Reparatur informiert und muss sich zu keinem Zeitpunkt über seine Sicherheit Gedanken machen.

Ziel des Projekts AIS war es, neue Entwurfsverfahren zu erforschen, damit ein Chip Fehler erkennt, korrigiert, Hardware-Module abschaltet, und dabei nicht mehr als 30% zusätzliche Chipfläche benötigt. Im Vergleich mit klassischen Ansätzen, bei denen schnell mehr als 300% zusätzliche Kosten zu erwarten sind, lässt sich der enorme Gewinn erkennen. Möglich wird dies durch die geschickte Kombination unterschiedlicher Verfahren. Mit einer im Projekt neu eingeführten sog "Autonomen Ebene" ist es nun erstmals möglich, verschiedene Eigenschaften im Betrieb aufeinander abzustimmen. Sensoren im Chip erkennen Fehler und dokumentieren sie in speziell dafür vorbereiteten Fehlerspeichern. Andere Verfahren im Chip greifen auf diese Fehlerspeicher zu und können Maßnahmen zur Reparatur einleiten.

Dieses autonome Verhalten bedeutet, dass Chips ihren inneren Zustand flexibel anpassen können, was ein neues Denken im Entwurfsprozess von elektronischen Systemen einleitet. Nicht mehr nur Funktion, Fläche und Leistungsverbrauch stehen beim Entwurf im Vordergrund, sondern auch das Erfassen und Reagieren der Systeme unter gestörten Betriebsbedingungen. Das bedeutet, dass Sensoren, Evaluatoren und Aktoren in Multiprozessorsystemen (MPSoCs) sporadisch auftretende Störungen erfassen, analysieren und geeignete Maßnahmen einleiten müssen, um einen zuverlässigen Betrieb über die Störung hinaus zu gewährleisten.

Bekannt sind ähnliche Verfahren bei Festplatten, bei denen Schreib/Lesefehler dokumentiert und von einer Software ausgewertet werden können. Vergleichbare Verfahren für Prozessoren und Kommunikationschips einzusetzen ist ungleich schwieriger und war bis jetzt unmöglich. In AIS ist es erstmals gelungen, in einem Demonstrator zu zeigen, wie ein neuartiges Betriebssystem Fehlerraten in Datenpfaden erkennen und sicherheitskritische Anwendungen von fehlerhaften Modulen auf zuverlässige Module migrieren, oder bessere Verfahren zur Fehlerkodierung im Betrieb autonom einführen kann. Mit AIS konnte somit erstmals gezeigt werden, dass es auch in komplexen heterogenen Chips mit zusätzlichen Eigenschaften zum autonomen Handeln mit nur geringem Hardwareaufwand möglich ist, Systeme vor Ausfällen bei Fehlfunktionen der Hardware zu schützen.

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in den letzten 3 Jahren geförderte Clusterforschungsprojekt AIS hat gezeigt, dass autonome Systeme in 5 Jahren Wirklichkeit sein können.

Über AIS

Das Projekt "Autonome Integrierte Systeme (AIS) wurde am 30.11.2009 nach 3 Jahren Projektlaufzeit erfolgreich beendet. Forschungspartner waren die Universität Erlangen-Nürnberg, die Technische Universität Braunschweig, die Technische Universität Kaiserslautern, die Technische Universität München und die Universität Paderborn (UPB-HNI). Paten aus der Industrie waren Alcatel-Lucent, Cadence, ChipVision, Concept Engineering, Conti Temic, GLOBALFOUNDRIES Dresden, Infineon, Melexis, NXP, OneSpin, Bosch, TexEDA sowie X-Fab. Die Unternehmen unterstützten die Finanzierung dieser Forschung, begleiteten das Projekt mit ihrem Knowhow und prüften den Einsatz der neuen Entwurfstechniken für ihre Produkte.

Über die Clusterforschung

Bei der EDA-Clusterforschung arbeiten Universitäten und Forschungsinstitute in enger Kooperation mit der Industrie im Bereich der Entwurfsautomatisierung (Electronic Design Automation, EDA) und entwickeln dabei die Methoden, die den Entwurf elektronischer Systeme von Morgen in Deutschland ermöglichen. Automobilzulieferer, Hersteller von Telekommunikationstechnik und viele weitere Branchen profitieren von den Ergebnissen durch höhere Produktivität, kürzere Entwicklungszeiten und die neuen Methoden, die innovative Produkte erst möglich machen.

Bei der EDA-Clusterforschung finanzieren das BMBF und ein Industriekonsortium gemeinsam die Arbeit eines bundesweiten Forscherteams, das von unabhängigen Experten zusammengestellt wird. Die Forscher werden von dem Industriekonsortium fachlich begleitet, was die Praxisrelevanz der Forschungsarbeiten sichert und gleichzeitig einen schnellen Transfer der Ergebnisse in die Industrie vorbereitet.

Prof. Dr.-Ing. Erich Barke, Präsident der Leibniz Universität Hannover, bestätigt: "Die EDA-Clusterforschung ist ein Glücksfall für Hochschulen und Industrie. Die Forschung kann an praktisch relevanten Themen arbeiten, für die das Tagesgeschäft der Industrie meistens keinen Raum lässt. Durch die enge Begleitung der Projekte durch die Industrie kommen die Ergebnisse der Hochschulforschung bereits mittelfristig zum Einsatz. Und ein wunderbarer Nebeneffekt ist, dass die Hochschulen damit genau die Ingenieure ausbilden, die die Industrie in fünf Jahren benötigt."

Ergänzende Informationen über die EDA-Clusterforschung finden Sie unter http://www.edacentrum.de/clusterforschung

Dr. Dieter Treytnar | idw
Weitere Informationen:
http://www.edacentrum.de/clusterforschung
http://www.bmbf.de/press/2779.php

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