Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering Brandenburgische Technische Universität Cottbus Fortschritt um jeden Preis: Medien und Technik H

Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering

Brandenburgische Technische Universität Cottbus

Fortschritt um jeden Preis:Medien und Technik

H. T. Vierhaus

BTU Cottbus

Technische Informatik

Zuverlässigkeit und Komplexität



Inhaltsübersicht

1. Die alltäglichen Erfahrungen

2. Entwicklung der Mikroelektronik

3. Fehler und Zuverlässigkeit

4. Fehlertoleranz und Selbstreparatur

5. Rekonfigurierbare Systeme

6. Ausblick



1. Erfahrungen des Alltags



Der Fernseher: Bedienung

Einschaltknopf Kanal

TonBild



Das Auto

Keine Elektronik,fuhr trotzdem

Mit bis zu 80 (!!) vergrabenenRechnern ist ein Auto heuteein Rechenzentrum auf Rädern!!

.. und ohne Elektronik geht kein ABS, ESP, Navigationssystem etc.



Auto-Elektronik

Ohne Auto-Elektronik kommt kein Audi die Sprungschanze rauf,egal bei welcher Musik !!



Die Schreibmaschine

Reiseschreibmaschine(ca. 1970).

Muti-Media- PC (2005)

PC-System(1985)

Mechanisch,keine SW

100 000 Trans.10 MByte SW

1 000 000 Trans.10 000 MByte SW



Tendenz

Geräte, Anlagen, Baugruppen des täglichen Bedarfs werden bei (fast) gleicher Art der Nutzung laufend komplizierter bezüglich:

-- Aufbau

-- Handhabung

-- Wartung

-- Betriebssicherheit

Woher kommt die Komplexität?? Wem nützt sie??

Viele Funktionen komplexer technischer Systeme sind ohne Mikroelektronik,Prozessoren und Software nicht möglich.



2. Die Mikroelektronik als TreiberHochintegrierteSchaltung mit eingebautemProzessor als„System on a Chip“(SoC)



Eingebettete Elektronik

Prozessor

Logik

Speicher

I / O - Baugruppen ( D / A )

Ein eingebettetes System ist ein (Mini-) Computer, der mit weitgehend fester Software Aufgaben von Steuerung, Regelung und Signalverarbeitung leistet:

- im Auto (Motorsteuerung, ABS, Fahrwerk-Regelung

- im PC (Keyboard, Bildschirm, Drucker)

- im Haushalt (Waschmaschine, Spülmaschine, etc.)



Entwicklung der Mikroelektronik

Jahr Strukturgröße Trans. pro Taktfrequenz Pins Metall- in nm cm2 MHz Lagen

1970 20 000 1000 1 16 1

1980 5 000 20 000 10 50 1

1985 1 000 100 000 20 68 2

1975 10 000 10 000 5 28 1

1990 500 1 000 000 50 200 3

1995 300 5 000 000 200 350 4

2000 130 50 000 000 1000 500 6

2005 65 200 000 000 3000 800 8

2010 30 1 000 000 000 4000 1000 10



Komplexität in der Mikroelektronik

Die Zahl der proQuadratzentimeterChipfläche integrierbarenTransistoren verdoppeltsich etwa alle 18 Monate!

... und jemand muss das schließlich ausnutzen!!



Grundgesetze der Mikroelektronik

Viele Funktionen in Geräten und Anlagen sind ohne Mikroelektroniknicht möglich.

Hochintegrierte Schaltkreise sind nur in hohen Stückzahlen wirtschaftlichherstellbar. Das gilt um so mehr, je neuer die Chip-Fabrik ist und jekleiner die Halbleiter-Strukturen werden.

Der Konkurrenz-Druck der Halbleiter-Hersteller untereinander zwingtsie zur laufenden Reduzierung der Herstellungskosten „pro Transistor“.

Aspekte wie Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind für viele Anwendungenzunächst nebensächlich !!



Die Entwurfslücke

Zahl der pro Tagund Mitarbeiter„entwerfbaren“Transistoren

Ausweg :Software!!



Die Validierungslücke

Zahl der pro Tagund Mitarbeiter„validierbaren“ Transistoren ist nochmals geringer!

Ausweg :Software?? Nein!!Die Korrektur eines HW-Entwurfs ist partiell „beweisbar“.Die Korrektheit vonSoftware nicht!!



Mikroelektronik

Die Mikroelektronik ist Treiber der Komplexitätsentwicklung.

Ohne Mikroelektronik sind viele Funktionen komplexer Systemegar nicht machbar.

Der Übergang zu „eingebetteter“ Software bringt einen Sprungin der Systemkomplexität um den Faktor 10-100.

Der Korrektheitsbeweis für größere Software-Systeme ist praktisch unmöglich.

Der Anstieg der Komplexität hat sich weithin in die Software verlagert!



Wie kann man einen Addierer bauen?

> 1= 1> 1= 1

&&

> 1> 1

Sxy

z

C

> 1= 1> 1= 1

&&

> 1> 1

Sxy

z

C

Aus reiner Hardware:ca. 100 – 1 000 Transistoren

Aus Prozessor + Software:

Memory

ca. 30 000 bis 100 000Transistoren!

Komplexität der HW steigt etwa um denFaktor 100 durch Einführung von Software!!



Elektronik im Auto

1970 1980 1990 2000 2010

10

102

104

103

105

106

107

108

109

1010

Zündung

KatABS

ESP Navi-gation

Tran-sistoren Info-

tainment

Bord-Comp.

Software



Software im Auto

1970 1980 1990 2000 2010

kB

1

10

102

103

104

105

106 (ohne Infotainment-PC!!)



Nochmal der Audi ....

Die Recharbeit der Traktionskontrolle machen 1-4 Prozessorenmit „vergrabener“ Software !



Komplexität bei Software

Betriebssystem

Rechner-Hardware

SW-Schicht 1

SW-Schicht 2

SW-Schicht 3

SW-Schicht 10

... und jeder „höhere“ Schicht verlässt sich darauf, dass die niedrigenSchichten einwandfrei funktionieren!



Tendenz zur Software

Chips in neuen Technologien sind nur bezahlbar, wenn sie in riesigenStückzahlen (> 1 Mio.) gefertigt werden.

Wegen der „Entwurfslücke“ findet die eigentliche „Konfektionierung“zunehmend durch Software statt.

Damit handelt man sich neben allen Problemen der Hardware auch nochdie der Software ein!!

Die Tendenz gilt für alle Anwendungsbereiche. Allerdings machen„konservative“ Branchen (wie die Auto- Industrie) diesen Trend nur verzögert mit.



3. Fehler und Zuverlässigkeit

Komplexität an sich ist ja noch kein Problem, wenn man sie beherrscht.

Aber Komplexität bringt auch neue Fehlerquellen ....



Fehlerquellen im Auto

Bis 1975: Mechanik, Hydraulik, Elektrik

Ab 1975: Elektronik, Sensoren

Ab 1990: Software

Rapide Zunahme der Fehlermöglichkeiten undFehlermechanismen durch Steigerung der Komplexitätund massiver Einführung von Software!



Fehler in der Elektronik

Falsche Spezifikation

Vermeidbarkeit

sicher bedingt nicht

Falscher Entwurf (Software)

Falscher Entwurf (Hardware)

Fertigungsfehler

Fehler im laufenden Betrieb(transiente HW-Fehler)

Fehler durch Alterung /Überlastung etc.

*

* Erheblicher Kosten-Aufwand!

*



Die Testlücke

IC-EntwurfEntwurfs-

validierungIC-

FertigungIC-Test

GuteICs

fehlerhafteICs

Ausbeute der Fertigung: fehlerfreie Chips

Alle Chips



Die Testlücke

Das Verhältnis der maximalen Anzahl auf einem Chip

herstellbarer zu

validierbaren (Entwurf ) zu

testbaren Transistoren ist etwa:

100 : 10 : 1 !!!



Kann Elektronik fehlerfrei sein??Die Anforderungen des Entwurfs (Pflichtenheft) kann unvollständigund widersprüchlich sein.

Beim Entwurf von Hardware (z. B. Prozessoren) können FehlerPassieren.

Software kann nach aller Erfahrung nicht fehlerfrei entworfen werden.„Debugging“ durch Verwendung. Selten verwendete Teile (z. B. fürNotfälle) sind selbst am wenigsten zuverlässig und erprobt.

Integrierte Schaltungen sind von Fertigungsfehlern betroffen, die durchaufwändige Testverfahren gefunden werden müssen. Reparatur ist nur bedingt möglich (Speicher-Bausteine).

Transiente Fehler im laufenden Betrieb werden bei kleinen (Nano-)Bauelementen zunehmend wahrscheinlicher.



4. Fehlertoleranz und Selbstreparatur

Fehler gibt es überall. Man kann sie auch „bekämpfen“.

Wenn man weiß, wann wo und warum sie auftreten ...



Mikroelektronik fürs Auto

Jahr Strukturgröße Trans. pro Taktfrequenz Pins Metall- in nm cm2 MHz Lagen

1970 20 000 1000 1 16 1

1980 5 000 20 000 10 50 1

1985 1 000 100 000 20 68 2

1975 10 000 10 000 5 28 1

1990 500 1 000 000 50 200 3

1995 300 5 000 000 200 350 4

2000 130 50 000 000 1000 500 6

2005 65 200 000 000 3000 800 8

2010 30 1 000 000 000 4000 1000 10

Spg.V

10

10

5

53

2

1

11



Transiente Hardware-FehlerInput-FFs Output

FFs

Partikel-Strahlung

Partikel aus radioaktiver Strahlung und Höhenstrahlung können Mikroelektronik-Bausteine Mit kleinsten Abmessungen „stören“. Solche Fehler müssen in Realzeit erkannt undkompensiert werden. Zusatz-Aufwand: bis zu 300%!!



Fehlererkennung durch aktive Redundanz

S1

S2

S3

Eingangs-signal Voter

(Mehrheits-Entscheid)

Ergebnis

Fehlermeldung

Overhead: etwa Faktor 4

Problem: Fehler des Voters

„Selbstcheckende Checker“



Zuverlässige Hardware

Fehlererkennung und – Kompensation im laufenden Betrieb für„transiente“ (nicht- permanente) Fehler.

Ist möglich durch zusätzliche Hardware zur Fehlererkennung oder durch Software-Methoden. Relativ gut verstanden und in breiter Anwendung!

Erkennung und Reparatur für permanente Fehler nebenläufig zumBetrieb oder in Betriebspausen (Built-in Self Repair- BISR).

Funktioniert für hoch-reguläre Hardware wie Speicher und wird dortregelmäßig verwendet, funktioniert aber viel weniger gut für Logik!



Selbstreparatur für Speicher

Memory-Kern

Zusatz-Zeilen

Zeilen-Adresse

Spalten-Adresse

Dekoder

Zus

atz -

Spal

ten

... funktioniert und wird praktisch verwendet!



Selbstreparatur durch Redundanz

Prozessor1 (aktiv)

Prozessor2 (aktiv)

Prozessor3 (fehlerhaft)

Prozessor4 (Ersatz)



Selbstreparatur

Prozessor1 (aktiv)

Prozessor2 (aktiv)

Prozessor3 (fehlerhaft)

Prozessor4 (Ersatz)

Systemfunktion

Reparaturfunktion

wird passiv

wird aktiviert

... und das funktioniert nur so lange 2 zuverlässig arbeitende Prozessorenverfügbar sind! Transiente Fehler müssen zusätzlich beherrscht werden!

TransienteFehler ??



Selbstreparatur für Logik

VDD

GND

VDD

GND

outin1

in2

in1

in2

out

redundanttransistors

Ersatz fehlerhafter Transistoren: Ist möglich, aber kompliziert und teuer!

Die Komplexität steigt mindestens um den Faktor 4!!



Zuverlässige Hardware??Die „herkömmlichen“ hochintegrierten Schaltungen sind bemerkenswertzuverlässig, auch über lange Einsatzzeiten.

Mikroelektronik auf der Basis von Nano-Strukturen hat neue Fehlermechanismen, deren Beherrschung nur teilweise funktioniert.

Die Beherrschung der (Hardware)- Fehler in den ICs ist nicht einfach,aber zumindest weiß man, wie es gehen könnte.

Hardware: P8 von 1906,bis zu 60 Einsatzjahre

ICE ??



Zuverlässige Software??

Software „reift“ durch Nutzung beim Anwender (Bananen-Effekt).

Deshalb werden Fehler in selten benutzten Komponenten (wie z. B.denen zur Fehlerbehandlung) am längsten nicht entdeckt!!

Aber zumindest gibt es neue Technologien, die zeigen, was Software denn tatsächlich tun (Software-Tomographie).

... Professor Lewerentz !!



5. Rekonfigurierbare Systeme

Hardware und Software gehen durch (re-) programmierbare Hardware eine „Symbiose“ ein, die zum Abenteuer wird .......



Wie der Softi die Hardware sieht:

Hardware geht immer. Fehler machen nur die Softis.

Hardware ist „hart“, also fest und nicht änderbar. Heißt ja so.

Stimmt fast, aber nur fast........

Stimmt nicht mehr, Hardware wird „soft“

Und was er nicht sieht:

Hardware kann „gestört“ werden, und zwar um so mehr, je kleinerdie Strukturen sind.

Hardware altert und wird dabei nicht besser (kein Bananen-Effekt !)



Von „harten“ Chip zum „weichen“ FPGAAnwendungsspezifischeIntegrierte Schaltung (ASIC)

Feste Funktion!

Prozessor Memory

ProgrammierbareLogik (FPGA)

System on a Chip (SoC)

Variable (re-) konfigurierbare Funktion!

Die Hardware wird soft!

Software



FPGA-Board



Rekonfigurierbare Systeme

Statt „fester“ Logik werden Bausteine benutzt, deren Logik-Funktion programmierbar ist.

Ein „eingebetteter“ Prozessor kann diese Logik per Software im Anwendungssysteme umkonfigurieren.

Software kann zur Laufzeit entsprechend dem Bedarf der Anwendungmodifiziert werden.

Der Prozessor selbst kann auf der Basis rekonfigurierbarer Logikaufgebaut und nach Bedarf modifiziert werden !

Und das ist nicht Science Fiction, sondern Gegenstand laufenderForschungsprojekte (z. B. der Deutschen Forschungsgemeinschaft)!!



Fluch oder Segen??Mit selbst-rekonfigurierenden Systemen kommt man den Eigenschaftenbiologischer Systeme nahe. Die können Fehlertoleranz und Selbstreparatur!

Hardware wird durch Software konfiguriert. Software ist nicht validierbar.

Abenteuerspielplatz!

Nicht nur die Software, sondern auch die Hardware wird anfällig gegenEffekte wie „Computer-Viren“!

Sinnvoll und mit Restriktionen verwendet kann man durch rekonfigurierbare Systeme Funktionen wie die Selbstreparatur implementieren!



6. Zusammenfassung

Es gibt Tendenzen, die zu unvermeidlichen „Abstürzen“ führen müssen ...



Die Systematik

HL-Technologie

NeueGeräte

NeueFunktionen

NeueInfo-

Dienste

NeuesNutzer-

Verhalten

verlangt

verlangtermöglicht

HöhereIntegration

Verwendungszeit eine„Handys“: 9-15 Monate!

IC-Fertigungszeit:ca. 3 Monateverlangt

Mehr Software,steigende Komplexität

Mode / Werbung

Mode / Werbung

„Gadgets“



Komplexität: Treiber und Bremser

treibt

bremst

Handy

Computerspiele

Navigationssysteme

Auto-Elektronik(„harte“ Funktionen)

Auto(Info-Tainment)

Unterhaltungselektronik

Werbeanzeigen in„bunten Blättern“,Prospekte von Media-Markt, Saturn etc.

Gibt es ein Medium ??



Das mächtigste Medium weitund breit !



Pannenreport



Probleme

Es existiert eine positive Rückkopplung zwischen Geräten, Diensten,und Technologie-Entwicklung.

Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Benutzerfreundlichkeit spielenin der Werbung kaum eine Rolle.

Für einen zunehmenden Kreis von Nutzern sind die Geräte undDienste bereits überdimensioniert.

Die Mode-getriebenen Innovationszyklen werden immer kürzer.Bei gleichzeitig steigender Komplexität der Systeme kann die Zuverlässigkeit nicht besser werden!

Bei Systemen für sicherheitskritische Anwendungen werden bis zu70% der Entwicklungskosten für Validierung und Test ausgegeben !



FazitViele Anwendungsgebiete sind durch ungebremst wachsende Komplexität gekennzeichnet, deren Beherrschung zum Abenteuer wird.

Für sicherheitskritische Anwendungen ziehen die Unternehmen(Bosch etc.) systematische Grenzen der Komplexität ein, um Systemebeherrschbar zu halten.

Man kann zwischen „ernsthaften“ Anwendungen und „Gadgets“ unterscheiden, wobei die HL-Industrie teilweise „Gadget-getrieben“ ist.

Das Problem der Software-Zuverlässigkeit ist ungelöst. Hardwarewird zunehmend problematischer.

Neue Architekturen wie rekonfigurierbare Systeme können positiveEigenschaften biologischer Systeme nachbilden. Sie erlauben aber auchdie Konstruktion von Systemen, die sich weitestgehend unkontrollierbarselbst rekonfigurieren können!



Und was wollen wir von der Zukunft ??

Viel Spaß auf der Sprungschanze(mit dem Wegwerf-Auto und hoffentlich mit zuverlässigem Rettungshubschrauber)

oder zuverlässige langlebige Systeme ??

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