Newsletter 02/2020

10. Juli 2020

Andy Heinig über den Gehäuseentwurf für KI in der Edge und warum Systemarchitekten in der Lage sein müssen, verschiedene Designvarianten in einem frühen Stadium mit einem hohen Abstraktionsniveau zu vergleichen.

Datenerfassung findet zukünftig noch öfter direkt an Maschinen statt und die Datenfusion in der so genannten Edge
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Datenerfassung findet zukünftig noch öfter direkt an Maschinen statt und die Datenfusion in der so genannten Edge

Im industriellen Umfeld werden in den nächsten Jahren deutlich mehr Daten direkt an Maschinen erfasst werden. Um den dadurch erzeugten Datenmengen gerecht zu werden, müssen diese bereits direkt an der Maschine vorverarbeitet werden. Dabei können sowohl die Daten der einzelnen Sensoren aufbereitet als auch eine erste Datenfusion in der so genannten Edge durchgeführt werden. Immer häufiger finden dabei Algorithmen und Verfahren aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz Anwendung. Um diese ausführen zu können, bedarf es leistungsfähiger, aber auch flexibler Hardware. Die Entwicklung dieser Hardware benötigt sowohl neuartige Gehäusekonzepte als auch entsprechende Entwurfswerkzeuge um diese zu entwickeln.

Für den Einsatz von KI-Algorithmen werden auf der einen Seite leistungsfähige Prozessoren benötigt, auf der anderen Seite aber auch eine sehr performante Speicheranbindung. Die Integration von Stromversorgung und den nötigen Schnittstellen zum Sensor sowie zur Außenwelt vervollständigen das System. Für solche Aufbauten stehen immer mehr Gehäusetypen aus dem Bereich des Advanced Packaging zur Verfügung. So kann der Speicher mittels verschiedener Direkt-Bondverfahren mit dem Prozessor verbunden werden. Für die Stromversorgung stehen im Gehäuse integrierbare passive Strukturen wie Spulen und Transformatoren zur Verfügung. Zur Realisierung von Kommunikationsschnittstellen können verschiedene Arten von Multi-Chip-Gehäusen verwendet werden.

Durch die steigende Anzahl von möglichen Aufbauvarianten ist es für den Systemarchitekten wichtig, schon frühzeitig verschiedene Varianten miteinander vergleichen zu können. Dazu ist es notwendig, dass auf einem hohen Abstraktionslevel verschiedene Modelle zur Verfügung stehen. Das können zum Beispiel für verschiedene Gehäusetypen Vorcharakterisierungen typischer Hochfrequenzstrukturen sein, damit der Verlust vom Ausgang der aktiven Schaltung bis zur Antenne frühzeitig abgeschätzt werden kann. Durch die Verbindung der einzelnen Modelle der verschiedenen Gehäusekomponenten und ihrer Simulation wird somit eine frühzeitige Abschätzung der Performance möglich. Weiterhin können Systemmodelle, die in High-Level-Sprachen wie zum Beispiel System-C geschrieben sind, auf die verschiedenen verfügbaren Komponenten partitioniert werden. Damit wird eine erste Abschätzung der nötigen Verbindungsressourcen – zum Beispiel mit Copperpillars, Balls etc. – zwischen den Komponenten möglich. Da diese häufig stark limitiert sind, kann so schon frühzeitig ein Engpass aufgedeckt werden. Darüber hinaus ist es mit diesem High-Level-Ansatz möglich, auch verschiedene Schnittstellentypen zwischen den Komponenten zu vergleichen. Dadurch ergibt sich häufig eine Optimierung zwischen Performance und benötigten Verbindungsressourcen.

Wenn die Entscheidung für eine oder mehrere potentielle Aufbauvarianten getroffen wurde, können ähnliche Verfahren für die weitere Verfeinerung der Systeme genutzt werden. Auch dabei können dann z. B. wieder Modelle – diesmal aber auf einem verfeinerten Level – verwendet werden, um die Performance zu evaluieren. Wenn dann das komplette Gehäuse mit Werkzeugen entwickelt wird, die den gesamten Assembly Design Flow unterstützen, können alle Komponenten des Systems gemeinsam optimiert werden, was für solche komplexen Gehäuseaufbauten nötig ist.

Die konsequente Anwendung solcher Entwurfsmethoden ermöglicht dann auch die weitere Anpassung der Rechnerarchitekturen an die zusätzlichen Möglichkeiten der neuartigen Gehäusetypen. Erst wenn diese Anpassungen konsequent erfolgen, werden alle Potentiale der zukünftigen Gehäusetypen ausgeschöpft werden können.