Algorithmen, Architekturen und Technologie der optoelektronischen Rechentechnik

Der Einsatz optischer Verbindungen in der Rechentechnik verspricht viele der heute bei der Kommunikation zwischen Leiterplatten und zwischen integrierten Schaltkreisen auftretende Engpässe zu lösen. Optische Verbindungen moderaler Parallelität (10-20 Kanäle) zwischen Baugruppen sind, wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, mittlerweile technisch machbar. Die effiziente Nutzung optischer Verbindungen im Bereich chip-to-chip zum Aufbau eines 3-dimensionalen optoelektronischen VLSI (3-D O E-VLSI) erfordert dagegen wesentlich stärkere Eingriffe in die Architektur derzeitiger VLSI-Systeme. Aufgabe der Informatik ist einerseits die Entwicklung geeigneter Architekturen und zugehöriger Algorithmen und andererseits der Nachweis der hardwaretechnischen Machbarkeit der entwickelten Architekturkonzepte. In der Arbeit werden eine Reihe von Architekturvorschlägen unterbreitet, die weitgehend bis auf die Hardwareebene spezifiziert sind und teilweise in ersten Demonstrator- und Testschaltkreisen realisiert wurden. Dies betrifft ein superskalares aus Superpipelinestufen aufgebautes optoelektronisches 3-D Rechenwerk für Ganzzahlarithmetik, einen binären neuronalen Assoziativspeicher, figurierbare Hardwarestrukturen, eine 3-D Architektur für alle Prozessoren, systolische Addierer und ein Architekturkonzept für einen digitalen optoelektronischen Bildverarbeitungsprozessor. Durch theoretische Vergleiche wird der Nachweis erbracht, daß für die genannten Architekturen durch den Einsatz eines hochdichten optischen Verbindungssystems Steigerungen der Durchsatzrate von 1-3 Größenordnungen gegenüber rein-elektronischen Systemen möglich sind. Für den Assoziativspeicher, die rekonfigurierbare Hardware und das 3-D Rechenwerk für Ganzzahlarithmetik wurden erste einfache OE-VLSI-Schaltkreise auf der Basis optischer Modulatoren und PN-Detektoren realisiert. Da der Entwurf solcher Systeme neue rechnergestützte Entwurfssysteme erfordert, werden ferner die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Entwicklungen für ein Simulations- und Synthesewerkzeug für 3-D OE-VLSI-Systeme dargestellt

Effiziente externe Beobachtung von CPU-Aktivitäten auf SoCs

Die umfassende Beobachtbarkeit von System‐on‐Chips (SoCs) ist eine wichtige Voraussetzung für das effiziente Testen und Debuggen eingebetteter Systeme. Ausgehend von einer Analyse verschiedener Anwendungsfälle ergibt sich ein Katalog von Anforderungen an die Beobachtbarkeit von SoCs. Ein wichtiges Kriterium ist hier die Vollständigkeit der Beobachtung und umfasst die Aktivitäten der CPU (ausgeführte Instruktionen, gelesene und geschriebene Daten, Verhalten des Caches, Ausführungszeiten), des Bussystems und von Umgebungsbedingungen. Weitere Kriterien sind die Echtzeitfähigkeit und die Kontinuität der Beobachtung sowie die gleichzeitige Durchführung verschiedener Beobachtungsaufgaben. Dabei soll es zu einer möglichst geringen Beeinflussung des SoCs kommen. Weitere wichtige Aspekt sind die Kosten der Lösung, die Universalität, die Skalierbarkeit sowie die Latenz der Verfügbarkeit der Beobachtungsergebnisse. Für viele Anwendungen, besonders in sicherheitskritischen Bereichen, muss zudem nachgewiesen werden, dass das Beobachtungsverfahren kein Fehlverhalten des SoCs bewirkt bzw. ein solches maskiert. Eine besondere Herausforderung stellen Multiprozessor‐SoCs (MPSoCs) dar, da hier die Kommunikation zwischen den einzelnen CPUs im Inneren des SoC stattfindet und entsprechend schwierig für einen externen Bobachter sichtbar zu machen ist. Der Stand der Technik zur Beobachtung von SoCs wird im Wesentlichen durch zwei Verfahren dargestellt. Bei der Software‐Instrumentierung wird zum funktionalen Programmcode zusätzlicher Code hinzugefügt, welcher zur Beobachtung des Programms dient. Diese Methode ist einfach und universell anwendbar, erfüllt aber die genannten Kriterien nur sehr eingeschränkt. Nachteilig ist hier der Ressourcenverbrauch im Falle des Verbleibs der Instrumentierung im fertigen Produkt. Wird die Instrumentierung nur temporär dem Code hinzugefügt, muss sichergestellt werden, dass das Beobachtungsergebnis auch für den finalen Code anwendbar ist – was besonders bei ressourcen‐abhängigen Integrationstests nur schwierig erfüllbar ist. Eine alternative Lösung stellt eine spezielle Hardware‐Unterstützung in SoCs („embedded Trace“) dar. Hier werden im SoC Zustandsinformationen (z.B. Taskwechsel, ausgeführte Instruktionen, Datentransfers) gesammelt und mittels Trace‐Nachrichten an den Beobachter übermittelt. Dabei stellt die Bandbreite, die zur Ausgabe der Trace‐Nachrichten vom SoC verfügbar ist, ein entscheidendes Nadelöhr dar ‐ im SoC sind viel mehr den Beobachter interessierende Informationen verfügbar als nach außen transferiert werden können. Damit haben beide dem gegenwärtige Stand der Technik entsprechende Beobachtungsverfahren eine Reihe von Einschränkungen, die sich besonders bei der Vollständigkeit der Beobachtung, der Flexibilität, der Kontinuität und der Unterstützung von MPSoCs zeigen. In dieser Arbeit wird nun ein neuer Ansatz vorgestellt, welcher gegenüber dem Stand der Technik in einigen Bereichen deutliche Verbesserungen bietet. Dabei werden die Trace‐Daten nicht vom zu beobachtenden SoC direkt, sondern aus einer parallel mitlaufenden Emulation gewonnen. Die Bandbreite der für die Synchronisation der Emulation erforderlichen Daten ist in vielen Fällen deutlich geringer als bei der Ausgabe von umfassenden Trace‐Nachrichten mittels „embedded Trace“‐Lösungen. Gleichzeitig ist eine vollständige, äußerst detaillierte Beobachtung der Vorgänge innerhalb des SoC möglich. Das neue Beobachtungsverfahren wurde mittels verschiedener FPGA-basierter Implementierungen evaluiert, hier konnte auch die Anwendbarkeit für MPSoCs gezeigt werden