RA - Projekte

Aktuelle und abgeschlossene Forschungsprojekte

RA - Aktuelle Forschungsprojekte

Ein wichtiges Problem in modernen Fertigungstechnologien in der Nanoelektronik sind  Frühausfälle, die immer wieder Rückrufaktionen erfordern und dadurch Kosten in Milliardenhöhe verursachen.  Ein wichtiger Grund hierfür sind sogenannte schwache Schaltungsstrukturen, die zwar bei der Inbetriebnahme funktionieren, aber der späteren Belastung im Betrieb nicht gewachsen sind.  Solche Strukturen können anhand von nichtfunktionalen Indikatoren, insbesondere auch anhand des Zeitverhaltens, identifiziert werden.  Für einen effektiven  und kosteneffizienten Test dieser Indikatoren sollen im FAST Projekt Schaltungen mit einem prüfgerechten Entwurf und Selbsttest ausgestattet werden, die auch bei Frequenzen jenseits der funktionalen Spezifikation arbeiten können, um kleine Abweichungen des nominalen Zeitverhaltens und damit potentielle Frühausfälle zu erkennen.

seit 2.2017, DFG-Projekt: WU 245/19-1

Ausführliche Projektbeschreibung

Moderne Fertigungstechnologien in der Nanoelektronik integrieren Milliarden von Transistoren mit Abmessungen von 14 Nanometern und darunter in einem Chip. Dies ermöglicht grundlegend neue Herangehensweisen und Lösungen in vielen Bereichen, bringt aber gleichzeitig fundamentale Herausforderungen mit sich. Ein zentrales Problem sind Frühausfälle, die immer wieder Rückrufaktionen erfordern und dadurch Kosten in Milliardenhöhe verursachen. Ein wichtiger Grund hierfür sind sogenannte schwache Schaltungsstrukturen, die zwar bei der Inbetriebnahme funktionieren, aber der späteren Belastung im Betrieb nicht gewachsen sind. Während sich andere Ausfallursachen, wie etwa Alterung oder externe Störungen durch einen robusten Entwurf bis zu einem gewissen Umfang kompensieren lassen, müssen drohende Frühausfälle durch Tests erkannt und betroffene Systeme aussortiert werden. Dazu werden Verfahren benötigt, die weit über den heutigen Stand der Technik hinausgehen.

Da die schwachen Schaltungsstrukturen unter Betriebsbedingungen zunächst korrekt funktionieren, müssen sie anhand nichtfunktionaler Indikatoren identifiziert werden. Neben dem Stromverbrauch im Ruhezustand und bei Schaltvorgängen sowie dem Verhalten bei variierender Betriebsspannung gehört das Zeitverhalten zu den wichtigsten Zuverlässigkeitsindikatoren. Im Hochgeschwindigkeitsbetrieb können kleine Abweichungen im Zeitverhalten einzelner Transistoren gemessen und als Fehlerindikator verwendet werden. Da hierfür ein Mehrfaches der eigentlichen Betriebsfrequenz angelegt werden muss, lassen sich herkömmliche Testmethoden nur sehr eingeschränkt einsetzen. Stattdessen müssen in folgenden drei Bereichen neue Methoden entwickelt und untersucht werden:

  1. Die Schaltung muss mit besonderen Ausstattungen für den prüfgerechten Entwurf (Design for Test / DFT) und den Selbsttest versehen werden, die auch bei Frequenzen jenseits der funktionalen Spezifikation arbeiten können.
  2. Der Testablauf muss so geplant werden, dass bei einer möglichst geringen Zahl von Testfrequenzen eine maximale Fehlererfassung in kurzer Zeit möglich wird.
  3. Mit einer geeigneten Metrik müssen quantitative Aussagen über die Erfassung möglicher schwacher Schaltungsteile getroffen werden. Eine besondere Schwierigkeit liegt hier in der Unterscheidung zwischen tatsächlich fehleranfälligen Strukturen und Abweichungen aufgrund zunehmender Variationen in der Nanoskalierung.

Da ein Hochgeschwindigkeitstest ganz besondere Anforderungen an externe Testautomaten stellt, ist es wesentlich, ihn durch eingebauten Selbsttest (Built-in Self-Test / BIST) zu unterstützen und auszuführen.

Mit der Lösung der drei genannten Probleme wird den immens steigenden nicht mehr wirtschaftlichen Kosten bei der Inbetriebnahme nanoskalierter Systeme, etwa durch „Burn-in“-Tests, begegnet und deren Einsatz in neuen Anwendungsbereichen unterstützt.

seit 08.2014, DFG-Projekt: WU 245/17-1, WU 245/17-2

Eine ausführliche Projektbeschreibung finden Sie auf unserer englischen Seite.

 

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RA - Abgeschlossene Projekte

Das Projekt „SHIVA: Sichere Hardware in der Informationsverarbeitung“, koordiniert von Prof. Dr. Wunderlich (Institut für Technische Informatik), erforscht Entwurfs- und Verifikationsmethoden zur Steigerung der Sicherheit mikroelektronischer Hardware, beispielsweise aus der Automobilelektronik, der Medizintechnik oder auch der Fertigungstechnik. Es soll damit der Ausschluss einer Manipulation des Systems, der Ausschluss der Beobachtung interner Daten, verwendeter Verfahren und Prozesse und der Schutz des geistigen Eigentums an der Hardware garantiert werden.

02.2016 - 05.2019

Ausführliche Projektbeschreibung

Forschungsprogramm der Baden-Württemberg Stiftung
IKT-Sicherheit für weltweit vernetzte vertrauenswürdige Infrastrukturen

Sichere Informations- und Kommunikationstechnologien erfordern integrierte und aufeinander abgestimmte Schutzmaßnahmen auf allen Ebenen, beginnend von der Systemarchitektur über die Anwendungen und die Software, die Hardwarearchitektur, die Bausteinebene bis hin zur elektrischen Ebene. Isolierte Schutzmaßnahmen auf einer oder mehreren Ebenen werden entwertet, wenn Angriffe über andere Wege möglich sind. Eine besondere Rolle spielt hier die Hardware eines sicheren IKT-Systems, da sie neben funktionalen Angriffsmöglichkeiten, die auch die Software bietet, zahlreiche nichtfunktionale Angriffskanäle aufweist. Zu diesen gehören beispielsweise elektromagnetische Abstrahlung, Stromverbrauch und insbesondere die nichtfunktionale Infrastruktur. Diese integrierte Chip-Infrastruktur ist notwendig, um mittels kontrolliertem Zugriff auf die Test-, Diagnose- und Wartbarkeitsschnittstellen der Hardware während der Fertigung als auch im Feld einen wirtschaftlichen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Allerdings eröffnet diese Infrastruktur zahlreiche Angriffsmöglichkeiten und kann das System verwundbar machen.

Einer ganz besonderen Gefahr sind hier die sogenannten „Cyber Physical Systems“ (CPS) ausgesetzt, zu denen sicherheitskritische Systeme im Bereich der Automobilelektronik, der Medizintechnik oder auch der Fertigungstechnik (Industrie 4.0) gehören, da sie einem potentiellen Angreifer auch unmittelbar physisch zugänglich sein können. Das Projekt SHIVA wird für die Hardware von IKT-Systemen Entwurfs- und Verifikationsmethoden entwickeln, um auf Chipebene die folgenden Sicherheitseigenschaften zu garantieren:

A) Ausschluss einer beabsichtigen oder unbeabsichtigten Manipulation des Systems

Sowohl aus Sicherheits- als auch aus Lizenzgründen ist es erforderlich zu verhindern, dass ein Anwender die Hardware so beeinflussen kann, dass sie außerhalb ihrer zugelassenen Spezifikation betrieben wird. Ein bekanntes Beispiel sind hier Manipulationen von Steuereinheiten zum Zweck des Fahrzeug-Tunings, welche zur Gefährdung des Betreibers und der Umwelt führen. Entsprechende Gefährdungen finden sich auch in den Bereichen Fertigungstechnik und Medizintechnik. Noch schwerwiegender sind jedoch Manipulationen von dritter Seite, um mutwillig zu schädigen. Auch hierfür finden sich inzwischen Beispielszenarien der Sabotage unterschiedlicher Anwendungen in der Presse.

B) Ausschluss der Beobachtung interner Daten, verwendeter Verfahren und Prozesse

Die Daten, Verfahrensabläufe und Prozessparameter, die IKT-Systeme im industriellen Fertigungsumfeld (Industrie 4.0) oder in medizinischen Anwendungen verarbeiten, sind vertraulich und müssen entsprechend geschützt werden. Sicherheitsplattformen sind derzeit von Halbleiterherstellern angekündigt und zum Teil verfügbar, welche sowohl die Authentifizierung als auch eine „Ende-zu-Ende“ Verschlüsselung unterstützen und dadurch einen sicheren funktionalen Zugriff auf die Prozessoren und die restliche Hardware erlauben. In diesen Ansätzen wird der Chip als Endpunkt betrachtet, aber in aller Regel wird innerhalb der Prozessoren aus Performanzgründen mit Klardaten gearbeitet und lediglich der Speicherinhalt verschlüsselt. Der physische Zugriff auf den Chip und seine integrierte Infrastruktur zur Zuverlässigkeit, Diagnose und Wartung eröffnen viele Möglichkeiten für Seitenangriffe, die ausgeschlossen werden müssen.

C) Schutz des geistigen Eigentums an der Hardware

Anwendungsspezifische Schaltungen und FPGA-basierte rekonfigurierbare Systeme enthalten geistiges Eigentum, das vor Missbrauch und Weitergabe geschützt werden muss, selbst wenn der Zugriff durch den rechtmäßigen Besitzer eines Systems erfolgt. Die Hardware sollte ein Ausforschen der Struktur und sogenanntes „reverse Engineering“ mit funktionalen Mitteln oder über unautorisierte Zugriffe mittels der Infrastruktur nicht gestatten. Zusätzlich dürfen die implementierten Strukturen auch nicht durch Dritte so geändert werden können, dass ungewollte, sicherheitsgefährdende Funktionen versteckt ausgeführt werden. Sogenannte „Trojaner“ sind in der Vergangenheit in konfigurierbare Hardware-Systeme eingeschleust worden, und sogar anwendungsspezifische fremdgefertigte Schaltungen können nicht vertrauenswürdig sein. Schließlich werden sichere Identifikationsverfahren benötigt, die einen Modul und Chip eindeutig erkennen.

Das Projekt SHIVA wird von der Baden-Württemberg Stiftung im Rahmen des Forschungsprogramms IKT-Sicherheit über einen Zeitraum von drei Jahren gefördert. Es ist ein Kooperationsprojekt zwischen dem Institut für Technische Informatik der Universität Stuttgart (Prof. Dr. Wunderlich) und dem Lehrstuhl für Rechnerarchitektur der Universität Freiburg (Prof. Dr. Becker). Die Projektkoordination liegt bei Prof. Dr. Wunderlich.

10.2014 - 12.2018, DFG-Projekt: WU 245/16-1

Eine ausführliche Projektbeschreibung finden Sie auf unserer englischen Seite.

 

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01.2015 - 12.2016, DAAD/JSPS PPP Japan Projekt: #57155440

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Dynamisch rekonfigurierbare Architekturen ermöglichen eine signifikante Beschleunigung verschiedener Anwendungen durch die Anpassung und Optimierung der Struktur des Systems zur Laufzeit. Permanente und transiente Fehler bedrohen die zuverlässigen Betrieb einer solchen Architektur. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Zuverlässigkeit von Laufzeit-rekonfigurierbaren Systemen durch eine neuartige System- Level-Strategie für Online-Tests und Online-Anpassung an Fehler zu erhöhen. Dies wird erreicht durch (a) Scheduling, so dass Tests für rekonfigurierbare Ressourcen mit minimaler Auswirkung auf die Leistung ausgeführt werden, (b) Ressourcen-Management, so dass teilweise fehlerhafte Ressourcen für Komponenten verwendet werden, die den fehlerhaften Teil nicht verwenden, und (c) Online-Uberwachung und Error-Checking. Um eine zuverlässige Rekonfiguration zur Laufzeit zu gewährleisten, wird jeder Rekonfigurationsprozess durch eine neuartige und effiziente Kombination von Online-Struktur- und Funktionstests gründlich getestet. Im Vergleich zu bisherigen Fehlertoleranzkonzepten vermeidet dieser Ansatz die hohen Hardwarekosten von struktureller Redundanz. Die eingesparten Ressourcen können zur weiteren Beschleunigung der Anwendungen verwendet werden. Dennoch deckt das vorgeschlagene Verfahren Fehler in den rekonfigurierbaren Ressourcen, der Anwendungslogik und Fehler im Rekonfigurationsprozess ab.

10.2010 - 06.2017, DFG-Projekt: WU 245/10-1, 10-2, 10-3

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06.2008 - 10.2017, SimTech Cluster of Excellence

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Das Hauptziel des RM-BIST Projekts ist es, die Test-Infrastruktur (Design for Test, DFT), die primär für den Produktionstest verwendet wird, zur Zuverlässigkeitsinfrastruktur (Design for Reliability, DFR) zu erweitern. Existierende Infrastruktur für den eingebetteten Selbsttest (Built-In Self-Test, BIST) wird durch geeignete Anpassungen während der Lebenszeit eines VLSI Systems wiederverwendet, um eine Systemüberwachung, die Identifikation kritischer Systemzustände und eine Vorhersage der Zuverlässigkeit zu ermöglichen. Zusätzlich wird die modifizierte Infrastruktur genutzt, um die Zuverlässigkeit gezielt zu steigern. Der zu entwickelnde Ansatz soll Fehler identifizieren und überwachen, welche die Systemzuverlässigkeit in verschiedenen Zeitskalen beeinflussen. Durch Prognostizierung sollen diese Fehler gleichzeitig abgemildert werden. Es werden unterschiedliche zuverlässigkeitsreduzierende Effekte behandelt, wie strahlungsinduzierte Soft Errors, intermittierende Fehler aufgrund von Prozess- und Laufzeitvariationen, Alterung von Transistoren und Elektromigration. Es ist das Ziel, eine Laufzeitunterstützung für die Überwachung und Steigerung der Zuverlässigkeit mittels Modifikation und Wiederverwendung existierender Infrastruktur für den eingebetteten Selbsttest unter minimalen Kosten bereitzustellen.

07.2012 - 06.2015, DFG-Projekt: WU 245/13-1

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Ziel des Projekts ROCK ist es, robuste Architekturen und zugehörige Entwurfsverfahren für Networks-on-Chip (NoC) zu untersuchen und prototypisch zu entwickeln, um der mit steigender Integrationsdichte zunehmenden Störanfälligkeit der On-Chip-Kommunikationsinfrastruktur gegenüber Umgebungsstrahlung, Übersprechen, Fertigungsvariabilitäten und Alterungseinflüssen zu begegnen. Dazu wird ein Ansatz verfolgt, der im Betrieb (online) Fehlerdiagnose und zielgerichtete Rekonfiguration zur Fehlerbehebung in hierarchischer Weise über die Netzwerkschichten durchführt und dabei schichtenübergreifend eine optimale Kombination von Maßnahmen auswählt. Die Optimalität umfasst die energieminimale Einhaltung von Zusicherungen bezüglich der Performability des Netzwerks, welche unter Einbeziehung der Kommunikationsperformanz und der Fehlerstatistik für das Forschungsgebiet der NoCs neu zu definieren ist. Weitere Anforderungen bestehen in der fehlertoleranten Auslegung der Diagnose- und Rekonfigurationssteuerung sowie in ihrer Transparenz für die über das NoC kommunizierenden Anwendungsprozesse. Die NoC-Architekturen und -Verfahren sind bezüglich Optimalität und Randbedingungen auch im Fehlerfall zu bewerten. Diese Bewertung beruht auf zu schaffenden funktionalen Fehlermodellen, welche mit Netzwerkmodellen zu einer NoC-Fehlersimulation integriert werden.

08.2011 - 12.2015, DFG-Projekt: WU 245/12-1

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Mikroelektronische Schaltungen sind, wie auch mechanische Komponenten, lebenszeitbegrenzenden Alterungsprozessen ausgesetzt. Um Ausfälle aufgrund der Alterung vorherzusagen, werden Verfahren entwickelt und untersucht, die online (während des Betriebs) die Leistungsfähigkeit und die noch zu erwartende Lebensdauer bestimmen. Mittels Monitoring werden Betriebsbedingungen und Alterungsindikatoren in einer Infrastruktur analysiert, so dass durch Früherkennung einem Ausfall durch systemtechnische Maßnahmen vorgebeugt werden kann. Neue Wartungskonzepte ermöglichen eine erhebliche Vereinfachung von strukturellen Fehlertoleranzmaßnahmen (z.B. Redundanzkonzepten) selbst in sicherheitskritischen Anwendungen, da gezielte Maßnahmen vor Eintritt altersbedingter Fehlfunktionen ergriffen werden können. Die effektive Lebensdauer eines mikroelektronischen Produkts kann mit Hilfe eines derartigen Online-Monitorings auf ein Vielfaches erhöht werden.

03.2011 - 12.2014, DFG-Projekt: WU 245/11-1

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Funktionen in eingebetteten Systemen werden heutzutage immer häufiger durch integrierte Hard- ware-/Softwaresysteme realisiert, insbesondere ist dies auch bei Prozessautomatisierungssystemen zu beobachten. Merkmal dieser Hardware-/Softwaresysteme ist die enge Kopplung mit technischen Prozessen, wie etwa in den Steuerungen und Regelungen eines Kraftfahrzeugs, die eine zeitabhängige und diskret-kontinuierliche Dynamik aufweisen. Die Prüfung der korrekten Funktionalität des Entwurfs als auch des gefertigten Systems macht aufgrund der hohen Komplexität einen hohen Anteil der Gesamtkosten aus. Es wird daher ein effizientes Vorgehen zur gemeinsamen Prüfung von Hardware und Software dieser eingebetteten Systeme benötigt, das die einzelnen Aspekte Validierung, Debug, Diagnose und Test in sich vereint. Dies beinhaltet die automatisierte Ermittlung von Testdaten, welche Fehler zügig aufdecken und gleichzeitig eine hohe Produktqualität sicherstellen. Modellbasierte und modellgetriebene Entwicklungs- und Testverfahren gewinnen sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Praxis an Bedeutung, da sie die schrittweise Entwicklung von den Anforderungen bis hin zur Implementierung systematisieren. Durch Nutzung von Modellen, welche die Funktionen integrierter Hardware-/Softwaresysteme beschreiben, wird eine höhere Effizienz der Prüfung angestrebt. Wesentliche Ziele des Forschungsvorhabens sind die Testdaten- generierung für Funktion und Struktur aus einem Systemmodell eingebetteter Hardware-/Software- systeme sowie die automatische Auswertung und Fehlerdiagnose. Dies stellt eine Herausforderung dar, welche bis heute nicht zufrieden stellend gelöst werden konnte.

10.2010 - 09.2013, DFG-Projekt: WU 245/9-1

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Zukünftige nanoelektronische Schaltungen zeigen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber sog. Soft Errors, die hier nicht nur die Speicherfelder betrifft, sondern insbesondere auch Speicherelemente in freier Logik (z.B. Flip-Flops). Eines der Ziele von Realtest ist die Entwicklung von robusten Registern für freie Logik die eine bessere Flächeneffizienz besitzen als existierende Ansätze.

01.2006 - 07.2013, DFG-Projekt: WU 245/5-1, 5-2

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Gemeinsam werden AUDI AG, Continental AG, Infineon Technologies AG und ZMD AG erforschen, wie sich die Analyse- und Diagnosefähigkeiten von elektronischen Steuergeräten im Fahrzeug verbessern lassen. Unter der Leitung von Infineon arbeiten die vier Partner bis 2013 daran, wie eine gezielte Fehlererkennung und damit schnellere Fehlerbehebung beim Automobilhersteller bzw. in der Werkstatt möglich sind. DIANA steht für "Durchgängige Diagnosefähigkeit in Halbleiterbauelementen und übergeordneten Systemen zur Analyse von permanenten und sporadischen Fehlern im Gesamtsystem Automobil". Die Projektpartner werden dabei von zahlreichen Forschungseinrichtungen und Universitäten unterstützt: dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen Dresden, der Universität der Bundeswehr München und den Universitäten Cottbus, Erlangen-Nürnberg und Stuttgart.

07.2010 - 07.2013, BMBF-Projekt

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Hans-Joachim Wunderlich (i.R.)
Prof. Dr. rer. nat. habil.

Hans-Joachim Wunderlich (i.R.)

Leitung der Forschungsgruppe Rechnerarchitektur

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