Entwurfsraumexploration für gemischt-kritische Systeme auf adaptiven MPSoC-Plattformen

• Antragsteller: Professor Dr. Alberto Garcia-Ortiz; Professor Dr.-Ing. Thilo Pionteck
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524884424

Gemischt-kritische Systeme (Mixed-Criticality Systems, MC-Systeme) erlangen in vielen Anwendungsgebieten zunehmend an Bedeutung, bspw. in Automotive, Avionik oder Medizintechnik. Hierbei ist ein klarer Trend zu immer komplexeren Systemen zu erkennen. Infolgedessen finden heterogene Mehrkernsystem immer mehr Verwendung und verdrängen damit klassische Einkernsysteme. Von besonderem Interesse sind adaptive MPSoCs, die es ermöglichen, einzelne Tasks nicht nur auf programmierbaren Einheiten wie CPUs, GPUs oder KI-Verarbeitungseinheiten, sondern auch als dedizierte Hardware-Einheiten im FPGA-Teil solcher Systeme zu realisieren. Diese Implementierungsalternativen bieten zusätzliche Möglichkeiten, die Anforderungen von MC-Systemen zu erfüllen. Der enorme Entwurfsraum dieser Hardwareplattformen kann durch derzeitige Entwurfsmethodiken jedoch nicht vollständig erfasst werden. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von systematischen Strategien für eine Entwurfsraumexploration sowie von Entwurfsrichtlinien zur Realisierung von MC Systemen auf heterogenen und adaptiven MPSoCs. Das Projekt zielt darauf ab, ein tiefgreifendes Verständnis dafür zu entwickeln, wie sich einzelne Entwurfsentscheidungen, sowohl bei der Nutzung der Hardwareplattform als auch bei der Implementierung von Tasks, auf ein MC-Gesamtsystem auswirken. Wir werden insbesondere drei konkrete Beiträge zum Stand der Forschung auf diesem Gebiet leisten: (1) Wir stellen einen umfassenden Satz von Modellen zur Verfügung, um die relevanten Metriken von MC-Systemen zu einem früheren Zeitpunkt im Entwurfsprozess abzuschätzen. Wir modellieren die Abhängigkeiten von Berechnungs- und Kommunikationsdesignentscheidungen und berücksichtigen die Auswirkungen von Hardwaredesignentscheidungen auf die Worst-Case-Ausführungszeit von Tasks auf der Grundlage des Konzepts der zeitlichen Kompositionalität. (2) Wir entwickeln Algorithmen und Designrichtlinien für den Einsatz von adaptiven MPSoCs in MC-Systemen. Wir stellen Task-Mapping- und Kommunikations-Mapping-Strategien für verschiedene Implementierungsalternativen, Kritikalitätszustände sowie für verschiedene funktionale Zustände bereit. (3) Wir entwickeln einen einheitlichen Ansatz zur Co-Optimierung der Hardwarebeschleuniger, der Kommunikationsinfrastruktur sowie der Zuordnung von Tasks zu heterogenen Verarbeitungseinheiten. Die Heuristiken werden speziell auf die Anforderungen von MC-Systemen zugeschnitten sein, so dass Worst-Case-Ausführungszeit und Kritikalitätsanforderungen explizit berücksichtigt werden. Mit diesen Beiträgen erwarten wir, eine solide Grundlage für den weitverbreiteten Einsatz von adaptiven MPSoCs im Bereich der MC-Systeme zu schaffen. Dadurch soll die Möglichkeit geschaffen werden, trotz des riesigen Entwurfsraums eine umfängliche Systemoptimierung vorzunehmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Martin Wilhelm