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DFG-Schwerpunktprogramm:
Grundlagen und Verfahren verlustarmer Informationsverarbeitung
Aufgabenstellung
Ausgangspunkt
Die mit dem Einsatz komplexer Daten- und Signalverarbeitungssysteme einhergehende hohe Leistungsaufnahme wird in vielen informationstechnischen Anwendungen - insbesondere mit mobilen bzw. portablen Geräten - zu einem zentralen Problem. So ist bei heutigen Hochleistungs-Chipentwicklungen die Miniaturisierung vielfach ein geringeres Problem als die Behandlung der Wärmeentwicklung: Größere Verlustleistungen benötigen aufwendige Sondermaßnahmen, um die entstehende Wärme ableiten zu können. Um jedoch Informationen schneller verarbeiten zu können, müssen die Verbindungen zwischen den einzelnen Transistoren verkürzt werden. Gleichzeitig verlangt die Komplexität der Aufgaben eine Erhöhung der Transistoranzahl, wodurch die Leistungsdichte weiter steigt. Damit ergibt sich als Herausforderung für die zukünftige Entwicklung die Erforschung von verlustarmer Informationsverarbeitung.
Ziele
Hauptziel des Schwerpunktprogrammes ist deshalb die Erarbeitung von Grundlagen und Verfahren zur verlustarmen Informationsverarbeitung, wobei durchgängig alle Ebenen des Entwurfsprozesses (Systemkonzept, Algorithmenentwurf, Architektur, Arithmetik, Schaltungsprimitive und Bauelemente) berücksichtigt werden sollen. Auf vielen dieser Entwurfsebenen existieren bereits Ansätze zur Verlustleistungsminimierung, die jedoch nicht systematisch durchgängig über alle Abstraktionsebenen angelegt sind. Neue Ansätze können vom System- und Algorithmusentwurf ausgehen und innovative Konzepte zur Leistungsreduktion über die darunterliegenden Entwurfsebenen konsistent transportieren oder aber umgekehrt, bei technologisch bzw. schaltungstechnisch neuen Ideen beginnend, diese in die darüberliegenden Abstraktionsebenen hineinwirken lassen. Mischformen dieser beiden Entwurfsstrategien, bei denen bestimmte Architekturgrundformen mit schaltungstechnischen Prinzipien wechselwirken, sind ebenfalls mögliche Alternativen.
Weiterhin soll die Leistungsfähigkeit verlustarmer Informationsverarbeitung exemplarisch in ausgewählten Anwendungsprojekten nachgewiesen werden. Verlustleistungsoptimierte Schaltkreise besitzen ein erhebliches Anwendungspotential im Bereich hochkomplexer Signalverarbeitung, insbesondere in mobilen und portable Anwendungen, und werden in zunehmendem Maße eine wichtige Rolle in potentiell profitablen Marktsegmenten spielen, so u. a. in der Medizintechnik bei intrakorporalen Signalverarbeitungsgeräten (z. B. hochentwickelte Hörgeräte). Einen weiteren anwendungsrelevanten Sektor stellen die kommenden Generationen von mobilen Kommunikationsgeräten (z. B. Mobiltelefone) dar. Darüber hinaus ist die langfristige Stromversorgung von Systemen für Authentifikation, Zugriffskontrolle, bargeldlosen Zahlungsverkehr usw. auf Chipkarten von entscheidender Bedeutung.
Im Schwerpunktprogramm sollen die Erkenntnisse verschiedener Disziplinen zusammengeführt und für die Erforschung gemeinsamer Fragestellungen nutzbar gemacht werden; die Bildung interdisziplinärer Kooperationen und Verbünde ist daher besonders erwünscht.
Methodische und thematische Abgrenzung zu verwandten Forschungsgebieten
Wenngleich Untersuchungen zur verlustarmen Informationsverarbeitung in hohem Maße mit verschiedenen Forschungszweigen der Elektrotechnik, Informatik, Thermodynamik, Angewandten Mathematik und Physik in Wechselwirkung stehen, so muß sich das Schwerpunktprogramm VIVA doch von Projekten abgrenzen, bei denen nicht die genannten Fragen im Mittelpunkt des Interesses stehen.
Das Forschungsgebiet kann grundsätzlich in vier Teilbereiche unterteilt werden:
- Produktnahe Entwicklungen in Richtung verlustarme CMOS-Technik: Diese werden
hauptsächlich von der Industrie durchgeführt und sollten nicht im
Schwerpunktprogramm
untersucht werden.
- Bei den längerfristig notwendigen Forschungsarbeiten, welche die
Schaltungstechnik, die
Technologie und die auf Silizium basierenden Systeme betreffen, sind noch viele
Entwicklungen denkbar, die wegen ihrer Unsicherheit nicht in der
Gesamtheit von der Industrie
untersucht werden können. Hier im Vorfeld die Möglichkeiten und ihre
Machbarkeit zu sondieren, ist eine wichtige
Aufgabe der
Hochschulen. Dieses Gebiet ist Hauptthema dieses Schwerpunktprogrammes.
- Geringe Verlustleistung und Reversibilität spielen gerade bei
zukünftigen Technologien eine Rolle. Obwohl Nanosysteme, Molekularelektronik und
Quantencomputing nicht zu den Themen dieses Schwerpunktes
gehören, könnten die in diesen Gebieten entwickelten Techniken auf ihre
Übertragbarkeit hin untersucht werden, um daraus neue Entwicklungen für reversible und adiabatische
Schaltkreise der obengenannten Produktlinien möglich zu machen.
- Grundlagenfragen der verlustarmen Informationsverarbeitung bilden die Zusammenhänge zu Physik, Komplexitätstheorie und Informationstheorie. Untersucht werden soll die intrinsische Verbindung von thermodynamischer Entropie, Informationsgehalt und der zu ihrer Verarbeitung nötige Aufwand. In der Physik begründete Komplexitätsmaße könnten die Grenzen des technisch Möglichen klären sowie die Brücke zu bestimmten Methoden der theoretischen Informatik schlagen.
Förderungswürdig im Schwerpunktprogramm sind Vorhaben, die darüber hinaus die folgenden Kriterien erfüllen: Arbeiten zur Synthese von Algorithmen müssen nicht nur deren Eigenschaften aus algorithmischer Sicht optimieren, sondern die Erhaltung der optimierten Eigenschaften bei der Abbildung auf die Zielarchitektur bzw. deren gleichzeitige Optimierung zum Ziel haben. Da es für Architekturen mehrere Abstraktionsebenen bis hin zu den Schaltungsprimitiven und deren technologieorientierter Realisierung gibt, ist es wichtig, daß einerseits beim Top-Down-Entwurf die auf den hohen Ebenen konstruierten Eigenschaften über die Entwurfsverfeinerung bis in die schaltungstechnische Implementierung hinein transportiert werden, und andererseits die auf technologienaher Ebene möglichen Optimierungen über geeignete Modelle in den abstrakteren Ebenen beschrieben und in den Entwurfsprozeß frühzeitig einbezogen werden können. Forschungsvorhaben, die den Entwurfsprozeß über mehr als eine Abstraktionsebene entwickeln und dabei insbesondere die Wechselwirkung zwischen diesen Ebenen untersuchen und nutzbar machen, gehören zentral zum Schwerpunktprogramm.