Seminar: Eingebettete Systeme / Grundlagen eingebetteter Systeme - www.kit.edu - itiv kit
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Institut für Technik der
Informationsverarbeitung
Seminar: Eingebettete Systeme / Grundlagen
eingebetteter Systeme
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
AG Eingebettete Elektronische Systeme (EES):
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Jürgen Becker
Schwerpunkt:
Eingebettete Elektronische Systeme (Prof. Becker)
Systems Engineering (Prof. Sax)
Mikrosystemtechnik und Optik (Prof. Stork)
Forschungsbereiche (EES):
System-on-Chip (SoC), Network-on-Chip (NoC)
Hardware Software Codesign
Multi-Core Prozessorarchitekturen
Dynamisch Rekonfigurierbare Systeme
Hardwarearchitekturen und Akzeleratoren
Dynamisch partielle Rekonfigurationstechniken
Hardware Synthesemethoden und
Multi-Domain Modellierungs- & Simulationsverfahren
Cyber-Physical Systems (CPS)
2 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
Forschungsgruppe Systems Engineering
Prof. Dr.-Ing. Eric Sax
Schwerpunkt:
Eingebettete Elektronische Systeme (Prof. Becker)
Systems Engineering (Prof. Sax)
Mikrosystemtechnik und Optik (Prof. Stork)
Forschungsschwerpunkte (Systems Engineering):
Prozesse und Methoden von “agil” bis “V” für den Entwurf eingebetteter
Systeme und System-Verbünde
Hardware-in-the-Loop Test eingebetteter elektronischer Systeme, speziell
Fahrerassistenzsysteme
Graphische Beschreibungsmittel und ausführbare Spezifikationen
Sichere SW-Architekturen und EE-Topologien
Big Data Analysen – Anomalie-Erkennung und Datenauswertung im
(Nutz-)Fahrzeug
3 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
AG Mikrosystemtechnik und Optik (MST):
Prof. Dr.rer.nat. Wilhelm Stork
Schwerpunkt:
Systems Engineering (Prof. Sax)
Eingebettete Elektronische Systeme (Prof. Becker)
Mikrosystemtechnik und Optik (Prof. Stork)
Forschungsbereiche (MST):
Optische Sensorik für Medizin und Technik
Augenoptik (Implantat bis AR-Brille)
Wearables für Vitalmonitoring
EKG, Atmung, Energieumsatz, Emotionale Lasten
Smart Home für Ältere und Behinderte
Ambiente Sensorik, Big Data
Sensornetzwerke für Energieübertragung
4 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
Seminar: Eingebettete Systeme
Ziel
Einblicke in aktuelle Forschungsthemen und -projekte
Fähigkeit zum wissenschaftlichen Arbeiten
Recherche / Bewertung / Einordnung / Umsetzung / Dokumentation / Präsentation
Themengebiete
Maschinelles Lernen
Embedded Systems
Hardware / Software / Tools
Sensorik
Etc…
Arbeitsumfang
2 SWS (3 Credits)
freie Zeiteinteilung in Abstimmung mit dem Betreuer
5 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
Ergebnispräsentation
1. Schriftliche Ausarbeitung
4 Seiten in Form eines
„Extended Abstracts“ (zzgl. Referenzen
und evtl. Anhang)
IEEE Paper Format
2. Mündliche Präsentation im Plenum (oder online)
ca. 20 min + Diskussion
6 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
Vergleich von Methoden zur Unsicherheitsabschätzung
neuronaler Netze
Künstliche Intelligenz in Form von Faltenden Neuronalen Netzen (Convolutional Neural Networks) werden bereits heute in
einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen wie Objektdetektion eingesetzt. Ein zunehmendes Problem ist allerdings,
dass im Algorithmus kein tieferes Verständnis für das Erkannte vorhanden ist, um beispielsweise ein gelerntes Bild von
einem ungelernten zu unterscheiden. Dabei können Methoden zur Unsicherheitsabschätzung (Uncertainty Estimation)
helfen, welche eine Aussage über die Sicherheit bzw. Unsicherheit des Algorithmus bezüglich eines vorhergesagten
Ergebnisses zulassen.
Recherche Stand der Technik
Methoden zur Unsicherheitsabschätzung
verschiedener CNN-Algorithmen
Vergleich der in der Literatur beschrieben Methoden
hinsichtlich unterschiedlicher Algorithmus-Metriken wie
mAP (mean Average Precision), Probability-based
Detection Quality (PDQ), …
https://mc.ai/fast-and-scalable-estimation-of-uncertainty-using-bayesian-deep-learning/
Vergleich der Methoden hinsichtlich unterschiedlicher
Hardware-Metriken (Speicherbedarf, #Operationen …) Julian Höfer (Raum 127)
julian.hoefer@kit.edu | Tel. 608-45288
7 12.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
Hardware accelerators for machine learning and AI
Novel hardware architectures like GPUs have pushed the development of self-adaptive
algorithms beyond boundaries. Among these are neural networks. In order to solve complex
problems, however, these still demand a lot computation power and resources. In future
applications this demand will be served by dedicated hardware structures and architectures.
Many researchers and companies are investigating and are trying to tackle this task. This yields a
lot of new ideas and architecture concepts almost every month. Also the ITIV is taking part in the
research on this hot topic
Your tasks within the project involve, but are not limited to:
Get an idea of the environment and fundamentals of machine learning and neural networks
Take a look at the state of the art in research and industry
Find potential overlaps in publications and maybe missing links or missing parts
Group and visualize the current techniques in research and industry
If you are interested you can work on an architecture concept and its implementation in a
consecutive bachelors or masters thesis.
Tim Hotfilter (Room 127)
hotfilter@kit.edu | Tel. 0721-608-42509
8 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
Power Management Techniken in FPGA-Architekturen
Power Management in FPGAs auf Architekturebene ist ein Problem, mit dem sich die Forschung schon seit
Einführung der ersten FPGA Architekturen beschäftigt. Ansätze gehen von einer Vermessung des kritischen
Pfades über die Performance-Charakterisierung aller FPGA Zellen bei Reset des FPGAs. Moderne
Halbleitertechnologien wie SOI oder die im ITIV PARFAIT Projekt betrachteten ambipolaren Transistoren
ermöglichen mit dieser Information, die Versorgungsspannung global oder lokal auf CLB Basis anzupassen.
Recherche Stand der Technik
Verfahren zur Anpassung der Verlustleistung
Verfahren zur Performance-Charakterisierung des
FPGAs
Sowohl im akademischen als auch im kommerziellen
Bereich
Abwägung der verschiedenen Verfahren (Vor- und
Nachteile, Kriterienkatalog) für den Einsatz im PARFAIT
Projekt. Johannes Pfau (Raum 218.1)
Johannes.pfau@kit.edu | Tel. 608-41939
9 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
Open Source FPGA Architekturen
Zur Evaluierung von Weiterentwicklungen und Optimierungen an FPGA Architekturen wurde am ITIV vor
einigen Jahren die VFPGA Architektur entwickelt. Im letzten Jahr veröffentlichten weitere Forschergruppen
Open Source FPGA Frameworks, die es ermöglichen eigene, angepasste FPGA Architekturen zu entwickeln.
Allerdings fokussieren sich diese auf FPGA Architekturen, die als Chip realisiert werden sollen, wogegen die
VFPGA Architektur den Fokus auf das Prototyping eines FPGAs auf kommerziellen FPGAs legt.
Recherche Stand der Technik
Open Source FPGA Architekturen
Transistor Sizing Frameworks wie Coffee
Vergleich der verschiedenen Architekturen, auch mit
kommerziellen Architekturen
Diskussion, ob diese Open-Source Architekturen den
VFPGA am ITIV ersetzen sollten (Vor- und Nachteile, z.B.
Erweiterbarkeit und Anpassbarkeit der Open-Source FPGA
Architekturen, …) Johannes Pfau (Raum 218.1)
Johannes.pfau@kit.edu | Tel. 608-41939
10 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Radiation tolerant FPGA
Bei modernen Satelliten erfordert die begrenze Datenrate für Übertragungen zur Bodenstation, dass die
Verarbeitung und Datenreduktion soweit möglich bereits im Satelliten durchgeführt wird. Dafür wird
vermehrt auf FPGAs gesetzt, die die hohen Anforderungen im Weltraum bezüglich Strahlung einhalten
müssen.
Recherche zum Stand der Technik
Radiation tolerant/hardened FPGA
Häufige Strahlenschäden
Implementierung und Design
Vergleich unterschiedlicher Plattformen
Xilinx vs. Intel vs. ….
ASIC
Bewertung hinsichtlich
Kosten https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EUTELSAT-172B-SATELLITE.jpg
Author: Cesarhenriquebrandao
Umsetzung https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
Datendurchsatz Ansprechpartner:
…. Kai Unger (kai.unger@kit.edu)
11 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Machine Learning in Particle Physics
Das Large Hadron Collider Experiment am CERN beschäftigt sich mit Teilchenphysik. Durch
Partikelkollisionen wird versucht, neue physikalische Effekte jenseits des Standardmodells zu messen.
Durch die enorme Menge an Daten sind neue Analyseverfahren immer gefragter. Dabei hat sich gezeigt,
dass mit ML-Verfahren sehr gute Ergebnisse erzielt werden können.
Recherche zum Stand der Technik
Machine Learning
Hls4ml
LHC Datenauswertung
Ziel der Datenauswertung (Anomalie Erkennung, Spurfindung …)
Vergleich der unterschiedlicher Techniken
CNN
GAN
DNN
???
Ansprechpartner:
Kai Unger (kai.unger@kit.edu)
12 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Speichertechnologien in Computer-Architekturen
Neuartige Speichertechnologien wie PCM oder ReRAM gewinnen für zukünftige Computer-Architekturen aufgrund der
technologischen Fortschritte in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Die Speicherzellen liegen im Bezug auf die
Geschwindigkeit zwischen SRAM und DRAM, lassen sich aber speziell im Vergleich zu SRAM auf wesentlich kleinerer
Fläche realisieren und können Informationen auch bei fehlender Betriebsspannung behalten. Diese Eigenschaft ermöglicht
es, heutige Computer-Architekturen komplett zu überdenken. So lassen sich unter anderem deutlich größere (hybride)
Caches auf gleicher Fläche realisieren, wodurch die Notwendigkeit mehrerer Cache-Level in Zukunft entfallen könnte.
Recherche neuartige Speichertechnologien
Vor- und Nachteile gegenüber SRAM/DRAM/Flash
Ableitung zukünftiger Computer-Architekturen, welche die
jeweiligen Vorteile der vorhandenen Speichertechnologien
bestmöglich miteinander kombinieren
https://cdn.wccftech.com/wp-content/uploads/2018/11/SK-Hynix-1Ynm-DDR5-DRAM.jpg
Fabian Kreß (Raum 125.1)
fabian.kress@kit.edu | Tel. 608-42880
13 16.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Einsatz neuer Speichertechnologien zur Minimierung
des Energiebedarfs
Auf Speichertechnologien wie MRAM oder FeRAM basierende Speicherzellen behalten im Gegensatz zu SRAM auch bei
einer Unterbrechung der Betriebsspannung ihre Informationen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, Teile eines Systems zur
Steigerung der Energieeffizienz dynamisch ein- bzw. auszuschalten. Allerdings erreichen sie die Geschwindigkeit von
SRAM-Zellen nicht, weshalb eine Kombination mit diesen für einige Anwendungsszenarien sinnvoll ist. So können
beispielsweise zu frei definierbaren Zeitpunkten die wichtigsten Zustände des Systems in den nichtflüchtigen Speicher
geschrieben und nach Aus- und anschließendem Einschalten direkt wieder in den SRAM geladen werden (Checkpointing).
Recherche Stand der Technik
Dynamisches Ein-/Ausschalten in Systemen
Vor- und Nachteile
Ableitung denkbarer Anwendungsszenarien für dynamisches
Ein-/Ausschalten von System-Komponenten
https://cdn.wccftech.com/wp-content/uploads/2018/11/SK-Hynix-1Ynm-DDR5-DRAM.jpg
Fabian Kreß (Raum 125.1)
fabian.kress@kit.edu | Tel. 608-42880
14 16.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Analyse und Vergleich von existierenden Werkzeugen
für Konfigurationsmanagement in DevOps-Prozessen
Mit der zunehmenden Bedeutung von Agilität in der Softwareentwicklung finden die Ansätze DevOps- und Continuous
Integration (CI) heutzutage immer mehr Anwendung. Diese Anwendung ist nicht mehr nur auf die klassische IT-Industrie
begrenzt, sondern häufiger in anderen Domänen wie der Automobilindustrie anzutreffen. Um möglichst effiziente Prozesse
zu erreichen, wird typischerweise eine Kombination aus verschiedenen Werkzeugen sowohl im Backend als auch im
Frontend für die automatisierte Realisierung von Builds, Deployment und Logging verwendet. Somit werden Konfigurations-
und Diagnoseinformationen aus dem Feld gesammelt, verarbeitet und für die kontinuierliche Verbesserung der Systeme,
beispielsweise in Form von Software-Updates, eingesetzt.
Recherche zum Stand der Technik von DevOps und
DevOps im Automobilbereich
Welche Tools existieren für das
Konfigurationsmanagement (z. B. Puppet, Chef, Ansible)?
Wie unterscheiden sich die Tools voneinander und für
welche Aufgaben sind sie geeignet?
Erarbeitung eines Konzeptes für die Umsetzung eines
Entwicklungsprozesses für Over The Air Updates anhand Quelle: C. Ebert et al., “DevOps”, IEEE Software, 2016
einer ausgewählten Werkzeugkombination
weitere Fragestellungen bzw. Aufgaben möglich Houssem Guissouma (Raum 115)
houssem.guissouma@kit.edu | Tel. 608-45232
15 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)OTA Updates für IoT-Geräte
Geräte des Internets der Dinge (IoT) sind heutzutage überall zu finden: in Energieanlagen, in Smart Homes oder in der
Verkehrsinfrastruktur. Sie sind drahtlos mit dem Internet verbunden und senden kontinuierlich unterschiedlichste
Sensordaten an eine Backendinfrastruktur für die zentrale oder dezentrale Datenverarbeitung. Wegen der enormen Anzahl
dieser IoT-Geräte und der oft begrenzten direkten Zugriffsmöglichkeiten auf die Hardware werden sie zunehmend Over The
Air aktualisiert. Dabei ergeben sich mehrere Herausforderungen bezüglich der Daten- (Security) sowie der funktionalen
Sicherheit (Safety).
Recherche zum Stand der Technik von OTA-Updates für
IoT-Geräte.
Welche Hardwareplattformen und Module erlauben es, die
Software bzw. Firmware der IoT-Geräte zu aktualisieren
(Beispiel: ESP8266)?
Welche updatebaren Betriebssysteme existieren für IoT-
Geräte? Und welche Update-Services bieten sie an?
Welche Unterschiede existieren zu einer Anwendung im
Automobilbereich?
optional: Implementierung und Evaluation verschiedener Houssem Guissouma (Raum 115)
OTA-Update-Systeme anhand eines ESP8266-Chips houssem.guissouma@kit.edu | Tel. 608-45232
16 21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Entwicklung von Fallbackstrategien für eine Backend
Fahrzeugfunktion
Die Integration von Fahrzeugen mit dem Internet der Dinge (IoT) ermöglicht es,
Funktionen aus dem Fahrzeug herauszulösen (verteilte Funktionen) und diese in einem
Backend zu berechnen. Hierfür eignen sich speziell Funktionen, die nicht echtzeitkritisch
sind, wie beispielsweise die Klimaregelungsfunktion. Bei einer Verlagerung von
Funktionen muss dennoch sichergestellt werden, dass die Funktion auch dauerhaft zur
Verfügung steht, sodass ein Verbindungsabbruch (oder ähnliches) zwischen Fahrzeug
und Backend nicht dazu führt, dass diese Funktion nicht mehr zur Verfügung steht.
Recherche Stand der Technik
Verteilte Fahrzeugfunktionen
Fallbackstrategien für verteilte Funktionen
Konzeptionierung von Fallbackstrategien für
Verbindungsabbrüche
Fehlende oder verspätete Nachrichten
…
, sodass die Fahrzeugfunktion immer bereitgestellt
Martin Sommer (Raum 115)
werden kann. ma.sommer@kit.edu | Tel. 608-45287
17 12.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Modellbasierte Entwicklung für sicherheitskritische
Systeme
Im Umfeld komplexer sicherheitskritischer Systeme ist die modellbasiere Entwicklung von Hard- und
Software-Architekturen Stand der Technik.
Insbesondere beim Einsatz von Multicore-Plattformen und dem Einsatz von Virtualisierung ergeben sich
aber besondere Herausforderungen bezüglich Echtzeitfähigkeit und Determinismus.
Dies betrifft beispielsweise die optimale Verteilung von Applikationen auf Prozessorkerne und virtuelle
Maschinen, sowie eine geeignete Partitionierung von Funktionen zur besseren Wiederverwendbarkeit.
Moderne modellbasierte Entwurfsansätze helfen, diese Komplexität zu beherrschen.
Recherche State of the Art zu Hardwaremodellierungssprachen
Fokus auf sicherheitskritischen Systemen im Avionik-Umfeld
Untersuchung von SysML, SHIM 2.0, SafetyML, AADL
Übersicht und Vergleich verfügbarer Sprachen und Standards in Hinblick
auf Partitionierung von Funktionen in wiederverwendbare Bibliotheken
Mögliche Integration als Plugin in das Eclipse-basierte Tool „Capella"
Bewertung insbesondere hinsichtlich
Timo Sandmann (Raum 126)
Anpassbarkeit, Konfigurierbarkeit, Erweiterbarkeit
timo.sandmann@kit.edu
Unterstützung von Virtualisierung
18 12.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Automatisierte Betriebshöfe
Ortung von automatisierten Fahrzeugen
Im Bereich des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) eröffnet das
automatisierte Fahren neue Möglichkeiten das Mobilitätssystem in Effizienz
und Umweltfreundlichkeit positiv voran zu treiben.
Bei Einführung automatisierter und vernetzter Linienbusse bieten die
Betriebshöfe und das Flottenmanagement spezielle Chancen. Als abgesperrte
Bereichen fallen sie aus der Wiener Verkehrskonvention heraus und bilden
somit schon heute ein mögliches Testfeld für die automatisierbaren Vorgänge.
Die Automatisierung bringt allerdings ebenfalls neue Herausforderungen mit
sich. Beispielsweise gestaltet sich die Ortung auf einem vollautomatisierten
Betriebshof schwieriger, da durch Gebäude und weitere Hindernisse das GPS
Signal gestört sein kann.
Recherche Stand der Technik zu Ortungsmethoden
Festlegung der Randbedingungen (Betriebshof)
Gegenüberstellung der Lösungsvarianten anhand zuvor definierter Kriterien
Nathalie Brenner (Raum 225)
Nathalie.brenner@kit.edu | Tel. 608-43093
19 12.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Alle Informationen finden Sie auch unter:
http://www.itiv.kit.edu/60_6321.php
jens.becker@kit.edu
Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)
21.10.2020 Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)Sie können auch lesen
