Design und Leistungsbewertung industrieller Multinetzprotokolle System-on-Chips für spezialisierte Industrienetze (IMuPro)
| Partner | Siemens Aktiengesellschaft (Nürnberg, Deutschland) Anprechpartner: Franz-Josef Götz |
| Geldgeber | DIE - BayVFP Förderlinie Digitalisierung - Elektronische Systeme |
| Laufzeit | Oktober 2025 - September 2028 |
| Mitarbeiter | Prof. Dr. Tobias Hoßfeld Dr. Stefan Geißler Alexej Grigorjew M.Sc. |
Projektbeschreibung
In industriellen Netzen spielen spezialisierte Kommunikationsprotokolle eine zentrale Rolle, um stabile und echtzeitfähige Kommunikation für zeitkritische Anwendungen, Virtualisierung von Steuerungen oder Fernzugriff zu gewährleisten. Derzeitige spezialisierte Hardwarelösungen, wie industrielle Switches und Netzwerkkarten, sind jedoch wenig anpassungsfähig und erschweren Upgrades sowie den Austausch der Geräte. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines flexiblen Multi-Level-Protocol-Switch Designs auf Basis eines System-on-Chip (SoC), das mehrere industrielle Kommunikationsprotokolle unterstützt, ohne Geräte tauschen zu müssen. Durch die Integration von Funktionen wie deterministischer QoS wird die Architektur mit Ansätzen aus programmierbaren und virtualisierten Netzfunktionen vielseitig einsetzbar und zukunftssicher gestaltet. Die Ergebnisse sollen einen Blueprint für eine flexible SoC-Architektur liefern, die langfristig kosteneffiziente und nachhaltige Industrienetze ermöglicht.
Projektziele
Programmierbarkeit und Flexibilität
Die Entwicklungs- und Produktionszeit von industriellen Fertigungssystemen beträgt mehrere Jahre bis zu Jahrzehten. Um technologische Fortschritte während dieser Zeit aufzufangen, ist der Einsatz von flexiblen und programmierbaren Komponenten unverzichtbar. Im Detail werden folgende Eigenschaften angestrebt:
- Wiederverwendung von Komponenten und flexible Umkonfiguration des Modell je nach benötigten Protokollen
- Ausnutzung von Synergien zwischen den Protokollabläufen
- Einsatz und Adaption bekannter, flexibler Konzepte (z.B. Match-Action)
- Prüfung der Eignung von programmierbaren Komponenten (z.B. Mikro-Controller)
Entwurf von abstrakten SoC-Modellen
Mit Hilfe von abstrakten Modellen sollen zukünftige Design-Entscheidungen unterstützt werden. Dazu müssen die allgemeinen Komponenten, ihre Umsetzung und ihre Interaktion festgelegt werden. Verschiedene Varianten sollen unterschiedliche Möglichkeiten aufzeigen. Die Schritte umfassen:
- Katalogisierung von abstrakten Bausteinen
- Bildung unterschiedlicher Varianten der SoC-Modelle durch Kombination der Bausteine
- Abbildung des Ressourcenbedarfs von Ablaufdiagrammen auf vorhandene Ressourcen im SoC-Modell
Leistungsbewertung der SoC-Modelle
Die vorhandenen Modelle sollen nicht nur auf ihre strukturellen Eigenschaften hin verglichen werden, sondern auch auf ihre erwartete Leistung hin. Zur Abschätzung dieser Leistung werden abstrakte Simulationen durchgeführt, u.a. mit folgenden Forschungsfragen:
- Welchen Durchsatz und welche Latenz erreichen die SoC-Modelle?
- Wo befinden sich die Bottlenecks?
- Welche Auslastung ist auf den Komponenten zu erwarten?
- Wie kann die Last von außen bewusst gesteuert werden, um Überlastszenarien zu vermeiden?
Exemplarische Umsetzung am Demonstrator
Basierend auf den Ergebnissen der abstrakten Simulationen werden ausgewählte Teilkomponenten genauer betrachtet. Dazu werden weniger abstrakte, detaillierte Umsetzungen dieser Teilkomponenten erwogen. Vorläufige Beispiele hierfür wären:
- Umsetzung einzelner Funktionen durch Linux-basierte Beschleunigungstechnologien (z.B. eBPF)
- Umsetzung programmierbarer Komponenten durch Mikro-Controller-Programme
- Detaillierte Simulationen einzelner Komponenten basierend auf existierenden Bibliotheken
