Hochleistungsrechner steuern Autos der Zukunft – das Projekt CeCaS
Das Forschungsprojekt CeCaS (CentralCarServer) des Bundesministeriums für Forschung und Bildung (BMBF) unter dessen Fördermaßnahme „Mannheim“ hat zum Ziel, die deutsche Automobilindustrie darin zu unterstützen, auch in der Ära der Informatik-Dominanz eine führende Rolle im globalen Wettbewerb zu übernehmen. Unter der Leitung der Infineon AG forschen 30 Partner aus Industrie, Forschungsorganisationen und Hochschulen an zukünftigen Hochleistungsrechnern im Auto. Herr Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Jürgen Becker gibt einen Einblick in die Arbeit am Projekt CeCaS.
Beschreiben Sie doch bitte zu Beginn, worum genau es bei CeCaS geht. Welches Ziel verfolgt das Projekt?
Es geht in CeCaS insgesamt um die Entwicklung zuverlässiger, energieeffizienter und kostengünstiger Hochleistungsrechner mit vollständiger Automotive-Qualifizierung (ASIL-D) auf Systemebene. Das Ziel ist, mit den enorm wachsenden Anforderungen an notwendiger Rechenleistung und Komplexität skalierbar Schritt halten zu können, mit neuartigen Prozessorlösungen von Infineon Technologies, dem Weltmarktführer bei Halbleiter für die Automobilindustrie. Dabei geht es insbesondere um die Kombination aus Sicherheit und höchster Leistung – Supercomputing in Automotive – einschließlich notwendiger Schnittstellen und einhergehender System- bzw. Softwarearchitekturen. Dies trägt entscheidend zur Zukunftsfähigkeit und technologischen Souveränität der deutschen und auch europäischen Automobilindustrie bei.
Was sind Ihre Aufgaben(-bereiche) innerhalb des CeCaS-Projektes?
Die wissenschaftliche Koordination im Gesamtprojekt nehme ich seitens KIT gemeinsam mit meinem Kollegen Prof. Alois Knoll, Leiter des Lehrstuhls für „Robotik, Künstliche Intelligenz und Echtzeitsysteme“ an der Technischen Universität München (TUM), wahr. Die hohen Qualifizierungs- und Zertifizierungsanforderungen in der Automobiltechnik müssen innerhalb des gesamten Hardware- und Softwareintegrationsansatzes konsequent und durchgehend umgesetzt werden. Dies hängt nicht nur von der Rechenleistung oder gar den KI-Beschleunigern allein ab, sondern hier muss die gesamte Verarbeitungskette betrachtet werden, ausgehend von der Sensorschnittstelle über dezentrale und zentrale Recheneinheiten bis hin zum Cloud-Interface. Die zuverlässigen zentralen Recheneinheiten werden immer mehr auf innovativen Hochleistungsprozessoren basieren, die für Automobilanwendungen und unter Verwendung nicht-planarer Transistortechnologien (FinFET) optimiert und fabriziert werden. Hier konzipiert mein Team neue hochperformante parallele Mehrkern-Prozessorarchitekturen inklusive intelligenter Speicher- und Kommunikationsanbindungen. Dies beinhaltet den Entwurf von neuartigen Mehrzweck-Hardware-Beschleunigern zur hocheffektiven Bildverarbeitung samt der Integration von nachvollziehbarer künstlicher Intelligenz (KI) im Automobil. Diese neuartigen Beschleuniger werden über High-Speed-Interfaces angebunden und in die Hochleistungsprozessoren integriert. Die entsprechenden Konzepte für derartige Prozessorlösungen sind entwickelt und werden nun weiter technologisch in die gesamte Systemarchitektur integriert.
Welchen Einfluss wird CeCaS auf die Industrie haben?
Infineon hat sich demgegenüber bei Automobilelektronik mit seinen Sicherheitslösungen und Leistungshalbleitern über Jahrzehnte hinweg zum weltweiten Marktführer hochgearbeitet. Die KI-relevanten Inhalte von CeCaS sind so gewählt, dass eine herausragende Marktstellung auch im Bereich KI-Unterstützung für Automobile erreicht werden kann, sofern sich das Unternehmen dazu entscheidet. Insbesondere wird durch CeCaS der Wechsel von planarer CMOS zu FinFET-Technologien ein Innovationssprung und zugleich Sprungbrett für künftige kleinste Technologieknoten sein, und zwar hochperformant und energieeffizient in hinreichender Automotive-Qualität, das heißt funktional sicher (ASIL D). Andernfalls steht die entwickelte Technologie zumindest anderen deutschen Unternehmen zur Verfügung.
Vielleicht auch in Hinblick auf CeCaS: Wie wird sich die Branche verändern und wie können Absolvent:innen mit diesen Veränderungen mitgehen? Welche fachlichen Kompetenzen werden zukünftig elementar sein?
CeCaS adressiert ebenenübergreifend sowohl Hardware- als auch Softwarefragestellungen, sodass neben geeigneten zuverlässigen Chiplösungen auch die richtigen Schnittstellen zu den möglichen Betriebssystemen und der korrekten Anwendungsprogrammierung entwickelt und optimiert werden müssen. Dies beinhaltet sowohl effiziente Entwurfsabläufe mit automatisierten Werkzeugketten als auch weitere Systemintegrationsalternativen. Dementsprechend sind für die zukünftigen MINT-Absolvent:innen in der Informationstechnik sogenannte „systemische Kompetenzen“ entscheidend, um in oder zwischen interdisziplinären Teams agieren zu können. Das betrifft die Algorithmik, insbesondere mittlerweile auch KI-basiert, Soft- und Hardwarearchitekturen, deren Programmierung, Implementierung und gegebenenfalls auch Realisierungsalternativen. Aufgrund der Schlüsselrolle der Mikroelektronik werden zukünftig auch die Kompetenzen im Chipentwurf immer wichtiger und zentraler.
Welche Soft Skills (oder welches Mindset) sind nach Ihren Eindrücken im Bereich der Informationsverarbeitung wichtig, die man als Berufseinsteiger mitbringen sollte?
Die teamübergreifende Interaktion hängt entscheidend von einem umfassenden interdisziplinären Verständnis der Systemeigenschaften und Zusammenhänge in komplexen Hardware-/Software-/Anwendungssystemen ab, wozu zum einen ausreichend kommunikative, sprachliche als auch interkulturelle Kompetenzen unerlässlich sind. Darüber hinaus muss ein gutes mathematisches Grundverständnis abrufbar sein, um selbständig zu identifizierende Problemstellungen korrekt formalisieren zu können, diese dann wissenschaftlich methodisch zu lösen und letztendlich effizient in die reale Anwendungspraxis transferieren zu können. Hier sollten möglichst projektbasierte Lernformate inklusive industrieller Praktika didaktisch priorisiert werden, wobei zudem geeignete Inhalte aus dem Projektmanagement und Controlling sehr hilfreich sind, um den unterschiedlichen „Prozesskulturen“ in kleinen, mittleren sowie großen Unternehmen gleichermaßen gewachsen zu sein.
CeCaS startete Ende 2022, damit ging kürzlich das erste Projektjahr zu Ende. Können Sie schon erste Erfolge verbuchen?
Das „Herzstück“ zukünftiger Fahrzeuge ist in CeCaS ein Zentralrechner, der wiederum aus Teilkomponenten besteht, die nicht nur höchste Anforderungen an die Rechenleistung, sondern auch an die Zuverlässigkeit erfüllen müssen, neben den hochleistungsfähigen Kommunikationssystemen innerhalb des Fahrzeugs und zur Verbindung mit der Außenwelt. Hierbei wurde im ersten Jahr der gesamte Hardware- und Softwareintegrationsansatz konsequent und durchgehend analysiert, vollständig konzipiert und auf Komponentenebenen prototypisch umgesetzt. Dies beinhaltet zudem weitere Systemintegrationsalternativen mit technologisch interessanten Optionen mittels attraktiver Chiplet-Technologien und deren optimierter Verbindungstechniken. In diesem Kontext legen TSMC, Infineon und Bosch die Grundlage für zukünftige FinFET Produktionen in Deutschland, inklusive der Planung neuer Joint Ventures zur Stärkung der modernen Halbleiterfertigung in Deutschland und Europa. Darüber hinaus treiben Infineon & Bosch ein europäisches RISC-V Konsortium für geeignete Automotivelösungen an, inkl. einer Unternehmensgründung zur Förderung des RISC-V-Ökosystems und der einhergehenden Hardware-Entwicklung. Damit sind durch CeCaS die Grundlagen zur Umsetzung starker Innovationen durch den Einsatz solcher hochperformanter Prozessorlösungen als Zentralrechner oder Zonenrechner im Auto gelegt, wobei die nächste Generation einen Innovationssprung in Performanz und Stromeffizienz machen wird.
Unabhängig von CeCaS: Welches sind derzeit die wichtigsten technologischen Entwicklungen und Trends, die gerade für den Bereich der Elektro- und Informationstechnik besonders relevant sind?
Es wird immer wichtiger, starke globale Allianzen zwischen den OEMs, Tier-1-Zulieferern und Halbleiterherstellern zu bilden, um die kritischen Abhängigkeiten in der Technologie- und IP-Entwicklung weiterhin selbst in der Hand zu haben. Hierzu gehören das Know-how zur Hardware/Software Systemintegration und die notwendige Chipentwicklung mit langfristig garantierten Technologiezugängen und der Verfügbarkeit von wichtigen auch selbst entwickelten IP-Bausteinen. Dies betrifft neben der Automobilindustrie auch weitere deutsche Branchen (Automatisierungs-, Kommunikations- und Medizintechnik), die auf hochperformante sicherheitsrelevante Anwendungen mit hohem Vernetzungsgrad angewiesen sind. Dies beinhaltet neue Trade-offs im optimierten Zusammenspiel zentraler und dezentraler Systemkomponenten, inklusive der „Ko-Existenz“ von sowohl Open-Source-Software als auch Hardware mit kommerziellen Lösungen. Bei allen Holprigkeiten auf europäischer Ebene nimmt der Zug Richtung RISC-V nun langsam Fahrt auf. Dies wird unter anderem auch in CeCaS berücksichtigt, die entwickelten Hardware-KI-Beschleuniger können beispielsweise perspektivisch in das RISC-V-Ökosystem integriert werden.
Und welche Herausforderungen stellen sich dabei?
Kritisch für den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen OEMs, aber auch unserer nationalen Zulieferer ist beispielsweise die Erarbeitung ausreichender Grundlagen für den Entwurf von geeigneten spezifischem Hardwarebausteinen inklusive insbesondere auch von KI-Komponenten. Darüber hinaus muss durch die Integration von KMUs und weiteren Partnern zum Technologietransfer in diesem Bereich ein nationales bzw. europäisches Öko-System unterstützt werden, um vorhandene charakteristische Stärken des Standorts Deutschland gezielt auszubauen. Hierzu gehören unter anderem auch führende Rollen im Kontext der globalen Weiterentwicklung des RISC-V-Standards, insbesondere der Umsetzung hierauf basierender hochleistungsfähiger Hardware-/Softwarelösungen in industriell verwertbaren Plattformen mit zuverlässigen Systemlösungen. CeCaS leistet in diesem Zusammenhang ebenfalls einen wesentlichen Beitrag, um diese übergreifenden Technologieziele und deren Verwertung in geeigneten Allianzen nachhaltig voranzutreiben. Diese Impulse und Möglichkeiten gehen über das Konsortium der Partner in CeCaS hinaus und sichern langfristig die Wettbewerbsfähigkeit auf „Augenhöhe“ für zukünftige Chiptechnologien und deren Integration in Wachstumsmärkte.
Infineon über das Projekt CeCaS:
Infineon, als weltweit führendes Unternehmen in der Automobilelektronik, treibt die Zukunft der Mobilität durch Produkte und Lösungen für sichere und intelligente Autos voran. Die Mikroelektronik von Infineon ermöglicht den Übergang zu umweltfreundlichen Hybrid- und Elektrofahrzeugen und leistet so einen wertvollen Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrs.
„Die Vielfalt der Perspektiven, Arbeitsweisen und Interessen der Partner erfordert eine klare Kommunikation, transparentes Projektmanagement und Flexibilität. Es macht Spaß zu sehen, wie viel vorwärts geht, wenn wir unsere Kräfte bündeln – gerade wenn kluge Köpfe aus Hochschulen und Unternehmen zusammenarbeiten. Das große Engagement, die Ideenvielfalt und letztlich unsere gemeinsamen Erfolge zeigen mir, dass wir über eine enorme technologische Leistungsfähigkeit verfügen. Ich bin sicher, dass wir auch in Zukunft technologisch ganz vorn dabei sein können.“
– Beate Grander und Frank Badstübner, Projektleiter von Infineon, über CeCaS.
Welche Akzente in der Forschung setzen Sie am Lehrstuhl, um Ihre Studierenden auf den Berufseinstieg vorzubereiten?
Mein Team am ITIV betreut mehrere innovative Lehrformate nach dem Prinzip des projekt- und teambasierten Lernens unter der Prämisse „Lehre folgt Forschung“ in der systemischen Umsetzung, exemplarisch möchte folgende beiden Labore nennen:
In der praxisnahen KI-Lehrveranstaltung „Labor für angewandte Machine Learning Algorithmen (LAMA)“ wird der praktische Umgang mit gängigen Algorithmen und Methoden des Maschinellen Lernens projektbasiert und „Hands-On“ vermittelt. Hierbei sollen Studenten einerseits Algorithmen und Strukturen selbstständig implementieren und gleichzeitig auch die heute in Wirtschaft und Wissenschaft gängigen Methoden und Tools erlernen:
„Labor Schaltungsdesign“: Ziel des Praktikums ist die Entwicklung und der Aufbau der gesamten Elektronik zum Betrieb eines Roboterfahrzeugs.
Zunächst werden in einem vorlesungsartigen Teil häufig benötigte Grundschaltungen besprochen. Anschließend erstellen mehrere Zweierteams einzelne Schaltungskomponenten, welche am Ende zum Gesamtsystem zusammengesetzt und getestet werden.
Welche Fragestellungen möchten Sie demnächst in Ihrer Forschung noch intensiver verfolgen?
Generell müssen in Eingebetteten Systemen oftmals hohe Qualifizierungs- und Zertifizierungsanforderungen kosten-, performanz- und energiegerecht innerhalb des gesamten Hardware/Softwareintegrationsansatzes konsequent und durchgehend umgesetzt werden. Die effiziente rechnergestützte Systemintegration von der Sensorschnittstelle bis zur Cloud, mit einem hohem ad-hoc Vernetzungsgrad und energieeffizienten Realisierungsvarianten inkl. dem gezielten zuverlässigen Einsatz von KI-Komponenten sind aktuelle Entwicklungen mit sehr spannenden Herausforderungen.
Neben den geeigneten zuverlässigen Chiplösungen auch die richtigen Schnittstellen zu den möglichen Betriebssystemen und der korrekten Anwendungsprogrammierung entwickelt und optimiert werden. Hierbei werden neue Formen der KI-Algorithmik, Soft- und Hardwarearchitekturen und deren Realisierung (auf heterogenen Zielsystemen) erforscht. Dies beinhaltet sowohl effiziente Entwurfsabläufe mit automatisierten Werkzeugketten als auch weitere Systemintegrationsalternativen mit technologisch interessanten Optionen mittels attraktiver Chiplet-Technologien und deren Verbindungstechniken.
In weiteren Projekten wie ZuSe-Ki-mobil werden rechenstarke KI-Beschleuniger entwickelt und analysiert (Explainability), die dann als flexible und skalierbare SoC-Architekturen breit einsetzbar sind, inkl. einem Ökosystem und Plattform für die kostengünstige Entwicklung anwendungsspezifischer KI-Hardware in Deutschland und sind für zukünftige Innovationen.
Zum Abschluss: Warum kann eine Karriere in der Informationsverarbeitung auch eine übergeordnete Zufriedenheit (Sinnstiftung) bringen?
Die tieferen theoretischen, methodischen und insbesondere auch technologischen Zusammenhänge übergreifend zu erlernen, zu durchdringen und umfassend systemtechnisch zu verstehen soll unseren Absolvent:innen die Sicherheit geben, die heutigen Komplexitäten, Herausforderungen und Problemstellungen in der Informationstechnik selbstständig zu erfassen, zu formalisieren und methodisch bzw. wissenschaftlich korrekt zu lösen. Damit kann man die heutige Aufgaben und notwendigen Innovationen in der Informationsverarbeitung entscheidend mit gestalten und auch „persönliche Spuren“ hinterlassen. Dies ist heutzutage durch die immens wachsenden Einsatzmöglichkeiten der KI umso spannender geworden, womit man in vielen entscheidenden Bereichen wie Automotive, Medizin, Robotik, Kommunikation, IoTs, Produktion, Automatisierung, Transport, etc. mit einem steigenden Momentum viel positiv bewirken kann. Dies gilt aktuell insbesondere für den Mikroelektronikbereich, wo man den großen Bedarf an qualifizierten Chip-Expert:innen auf absehbare Zeit nicht decken kann.
Ich persönlich finde in meinem Beruf die größte Erfüllung in dem Privileg als Mentor unsere jungen Absolvent:innen in ihren ersten biografischen Schritten begleiten zu dürfen und ggf. später dann im akademischen und/oder industriellen Umfeld die positiven Entwicklungen in deren Karrierewegen zu sehen, dies ist der wichtigste und wertvollste „Output“ meines Wirkens. Wenn ich die Metrik eines Uni-Ranking konzipieren dürfte, wäre die „Quantifizierung“ dieser Karrierewege auf der höchsten Prioritätsstufe.
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Jürgen Becker ist Institutsleiter des Instituts für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV) in der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik. Zu seinen Forschungsinteressen gehören unter anderem Hardware/Software System-on-Chip (SoC) Integration, heterogener Multicore (MC) Architekturen und Entwurfsmethoden, Rekonfigurierbares Rechnen, KI-Integration, mit Anwendung in Automobil, Industrie, Medizin, Robotik, Avionik.
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