KI-IoT
Holistische Open-Source-Plattform für eingebettete Systems-on-Chip
Gesamtvorhabenbeschreibung zum Programm „ZuSE“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
KI-IoTGesamtvorhabenbeschreibung zum Programm „ZuSE“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
Mit der Verfügbarkeit aktueller Halbleitertechnologien als Foundry Service ist die Entwicklung anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC) für viele Anwendungen zugänglich geworden. Zur Integration von Mikroprozessoren müssen aber nach wie vor große Hürden überwunden werden. Das betrifft Lizenzmodelle für verbreitete Prozessorkerne, aber auch technische Schwellen, wie Speicher, Speicheranbindung, sowie die Entwicklung notwendiger analoger Komponenten, wie z.B. das Power Management. KI-IoT hat sich zum Ziel gesetzt, diese Hürden mittels eines offen zugänglichen Mikrocontroller-SoC-Baukastens zu minimieren.
Ziel des Vorhabens KI-IoT ist die Entwicklung und quelloffene Bereitstellung einer vollständigen modularen Plattform für den Entwurf von Systems-on-Chip (SoC) auf Basis der RISC-V-Architektur mit eingebetteten nichtflüchtigen Speichern (NVM). Mit dem Open-Source-Hardware-Ansatz für alle digitalen Kernkomponenten sowie Lizenzmodellen für analoge und proprietäre Funktionsblöcke sollen die Einstiegshürden - insbesondere für KMUs - für die Ableitung anwendungsspezifisch angepasster Prozessoren für vielfältige Anwendungen zukünftig deutlich reduziert werden.
Neben einem optimierten Power-Management für besonders energieeffiziente SoC für den Einsatz in Anwendungen mit limitiertem Energiebudget sollen Beschleunigerkomponenten für KI-Algorithmen entwickelt werden. Während eine Komponente klassische Flash-Zellen nutzt, werden für eine zweite Variante memristive Speicherzellen genutzt. Dieser Teil wird von den Projektpartnern IHP und NaMLab entwickelt.
SoCs, die aus der Plattform entstehen, sind insbesondere für Edge-Anwendungen in IoT-Netzwerken konzipiert. Während derartige Geräte oftmals auf Sensoranwendungen fokussieren, wird in diesem Projekt verstärkt auf Aktorik gesetzt. Dazu werden Motorregelungsfunktionen und analoge Peripherie in Form entwickelt, die zur hohen Integration von Plattformprodukten beitragen. Kernpunkte der Motorregelungsfunktionsentwicklung ist die Steigerung von Dynamik, Genauigkeit sowie Effizienz der Antriebe. Daneben werden Möglichkeiten zur Kostensenkung durch Sensorreduktion evaluiert. Bei Infineon existieren KI-basierte Ansätze zur Virtualisierung von Resolvern in E-Antrieben, die in KI-IoT zur Anwendung kommen können. Digithinx bringt seine Erfahrung in Simulation und Visualisierung von Motorregelungsbausteine in dieses Projekt ein. Digithinx ist als Projektpartner verantwortlich für Aspekte der Systemsimulation und Motorsteuerung.
Für die Plattform werden als Open Source verfügbare Prozessorkomponenten angepasst und optimiert. Die UZL übernimmt im Projekt Arbeitspakete im Bereich der Ausgestaltung der Prozessorkerntechnologie und des Speichermanagements. Insbesondere die Beschleunigung des Prozessors durch Einsatz von Caches sowie die begleitende Bereitstellung funktionaler Werkzeuge für die Softwareentwicklung und Validierung sind hier wesentliche Projektziele.
Die geplanten Demonstratoren addressieren unterschiedliche Anwendungsgebiete: Melexis plant hierzu als Demonstrator einen Testchip mit dem „Analogen Peripheriebaukasten“ in X-FABs 110nm- Technologie. Das Prototyping des Demonstrators wird in zwei Spins zeitlich versetzt durchgeführt, um Design und Redesign zu ermöglichen. Aufgrund steigender Anlagen- und Prozesskomplexität ist die Selbstdiagnose moderner Antriebe unerlässlich. Daher werden KI-Algorithmen zur Motorüberwachung eingesetzt die automatisch erkennen, wenn sich Prozessvariablen signifikant verändern. Dadurch kann eine erforderliche Systemwartung oder eine Fehlfunktion frühzeitig erkannt werden (Predictive Maintenance & Condition Monitoring). Die entwickelten KI-Beschleuniger sollen die Software bei dieser Aufgabe entlasten. Der von IFAG adressierte Demonstrator stammt aus dem automobilen Anwendungsbereich und adressiert Servo-Antriebe für Nebenaggregate. Dieses Einsatzfeld stellt besondere Anforderungen an funktionale Sicherheit, Robustheit, Echtzeitfähigkeit und Lebensdauer, aber auch Energieffizienz und Kosten.
Darüber hinaus werden ein Secure Element zur Gewährleistung einer vertrauenswürdigen Kommunikation für kritische Anwendungen in den Feldern Industrie 4.0 und IoT sowie Maßnahmen zum Kopierschutz von Hardware-IP entwickelt. NXP führt in diesem Bereich die Technologieentwicklung an und setzt das Sicherheitskonzept um.
Mit den Demonstratoren wird gleichzeitig eine Halbleiterprozesstechnologie weiterentwickelt, die zur Implementierung der Demonstratoren genutzt wird. Diese ermöglicht den effizienten Aufbau hochintegrierter Smart Power-ICs. In der Technologie werden neuartige Flashspeicher implementiert, so dass die Technologie für Plattformprodukte optimal geeignet ist.
Das Projekt bietet insbesondere KMUs neue Perspektiven bezüglich Aufbau und Simulation von Mikrocontrollern und deren Einsatz für sichere IoT- und Industrieanwendungen (IIoT). Durch die Veröffentlichung vieler Funktionsblöcke als Open Source ist die Nutzung für Dritte ermöglicht. Dies betrifft insbesondere die Prozessorkernkomponenten. Die Plattform wird von den Projektteilnehmern für eigene Entwicklungen weiterentwickelt. Spezielle Peripherie kann von Plattformnutzern zugeführt werden. Dies wird durch standardkonforme Schnittstellen ermöglicht. Zudem können digitale Plattformkomponenten auch auf andere Halbleitertechnologien übertragen werden. Digithinx entwickelt neuartige Simulations- und Virtualisierungswerkzeuge für Motorcontroller, die sich durch Ease-of-Use, hohe Designsicherheit und stabile Realisierung in der Kundenanwendung auszeichnen. Melexis plant die Verwendung des analogen Peripheriebaukastens für die nächste Generation von Motor- und LED-Beleuchtungsansteuerschaltkeisen sowie den Einsatz den entwickelten Flash- Speichers basierend auf X-Fabs 110nm-Technologie.
Die Plattform hat zum Ziel, Komponenten für vertrauenswürdige Elektronik aus Deutschland bereitzustellen. Dazu setzt sie innovative Verschlüsselung in Hardware um und ermöglicht durch den Einsatz von Beschleunigern More-than-Moore-Skalierung. Als Plattform umfasst sie Digitalkomponenten, Analog- und Powerbaugruppen sowie Softwareunterstützung und eine in der europäischen Union verfügbare Halbleitertechnologie.