Neuartige Chips für moderne Medizintechnik

Nahaufnahme einer Computer-Leiterplatte
Computer-Leiterplatte: Steuerungen, die nebeneinander her, teilweise sogar gegeneinander arbeiten (Foto: © Raimundas – fotolia.com)

Computerchips verfügen über zahlreiche Steuerungen und Sensoren, die beispielsweise dazu beitragen, dass der Chip nicht überlastet wird. Hohe Sicherheitsmargen bedeuten allerdings auch, dass viel Leistungspotential verpufft. Wissenschaftler der Technischen Universitäten Braunschweig und München sowie der University of California Irvine forschen deshalb gemeinsam an einer neuen Generation von Computer-Chips, die speziell für die moderne Medizintechnik, für Autonomes Fahren und die Industrieelektronik konzipiert sind.

Welche Voraussetzungen solche Chips erfüllen müssen, wird seit Anfang 2018 im Rahmen des Forschungsprojektes „Information Processing Factory“ erforscht und entwickelt. Mit rund zwei Millionen Euro wird das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) gefördert.

„Die Versprechen der Digitalisierung werden mit der aktuellen Chip-Generation kaum technologische Realität“, erklärt Professor Rolf Ernst vom Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der TU Braunschweig. „Um den Anschluss zu bekommen, benötigen wir neue Forschungsansätze, die wir mit unserem neuen Forschungsprojekt verfolgen“, ergänzt Professor Andreas Herkersdorf vom Lehrstuhl für Integrierte Systeme der TU München.

Mehr Leistung für Zukunftstechnik

Planung, Logistik und Fertigungslinien greifen ineinander und werden über vernetzte Steuerungs- und Planungsebenen in einer Funktionshierarchie zusammengeführt. So funktionieren modernen Fabriken, in der eine Vielzahl komplexer Prozesse ablaufen. Dieses Prinzip überträgt das deutsch-amerikanische Forschungs-Team nun auf Computer-Chips. Wie in modernen Fabriken sollen im Ansatz der „Information Processing Factory“ eine Vielzahl an Überwachungs- und Kontrollfunktionen hohe Zuverlässigkeit und gleichzeitig hohe Flexibilität ermöglichen.

Lernende Steuerung

Da in Computer-Chips alle Vorgänge autonom ablaufen müssen, erforschen und entwickeln die Wissenschaftler eine intelligente, lernende Steuerung, die auf einem ständig aktualisierten Selbstbild des Chips aufsetzt. Als Beispiele für den Einsatz ihrer „Information Processing Factory“ wollen sie Anwendungen im Bereich des autonomen Fahrens und der Medizintechnik verwenden.

Aktuelle Chips: Kleiner, aber nicht besser

Computer-Chips vereinen heute viele Milliarden Transistoren auf einer einzigen Schaltung, die kleiner als ein Fingernagel ist. Das ist nur möglich, weil diese Schaltungen – auch „Chips“ genannt – über Jahrzehnte zu immer kleineren physikalischen Strukturgrößen vorgestoßen sind, die nur funktionieren, weil sie komplizierte physikalische Effekte im atomaren Bereich nutzen. Längst erfordern diese Schaltungen komplizierte Steuerungen, die ihre Schaltfrequenz, Energieverbrauch, und Temperatur regeln und gegebenenfalls reagieren, wenn der Chip überlastet wird und auszufallen droht.

Moderne Chips verfügen dazu über ein Netz von Sensoren, auf die diese Steuerungen zugreifen. Im Laufe der Entwicklung ist eine Vielzahl derartiger Steuerungen entstanden, die nebeneinander her, teilweise sogar gegeneinander arbeiten. Das wird problematisch, wenn die Chips in sicherheitskritischen oder hochzuverlässigen Anwendungen eingesetzt werden, wo immer Sicherheitsmargen vorzusehen sind. Solche Schaltungen werden daher sehr konservativ ausgelegt, weshalb viel Leistungspotential der Schaltungen verschenkt werden muss.

Ungewöhnliche Forschungs-Kooperation

Mit der Förderung des Forschungsprojektes „Information Processing Factory“ gehen die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die National Science Foundation einen ungewöhnlichen Weg: Die Forschungsmittel werden nicht im Rahmen eines offiziell ausgeschriebenen, internationalen Programms, sondern außerhalb aller internationalen Kooperationsprogramme bereitgestellt. Die Initiative dafür ging von der transatlantischen Gruppe aus und traf in beiden Förderinstitutionen auf Unterstützung. „Mit einem solchen Schritt werden völlig neue Perspektiven einer weniger komplizierten, flexiblen Forschungsförderung eröffnet“, stellen die Professoren fest.