Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV)

Forschungsprojekte

Das ITIV ist bzw. war u.a. in folgenden Forschungsprojekten involviert:

Projekt ARAMiS II

Zukünftige sicherheitskritische Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrt-Industrie, aber auch das Zukunftsthema Industrie 4.0 zeigen einen deutlich steigenden Bedarf an digitaler Rechenleistung. Sie wird beispielsweise für hoch automatisierte Fahrzeuge und echtzeitfähig vernetzte Maschinen benötigt. Weiterhin wird dieser Bedarf durch eine immer größere Integration und Interaktion mit anderen Systemen und Services verstärkt.

Diesem Bedarf entspricht, dass auch die Prozessoren von eingebetteten Systemen in nächster Zeit auf Multicore-Technologie basieren werden, die in anderen Anwendungsgebieten wie PCs, Tablets und Smartphones längst erfolgreich verwendet werden. Sicherheitskritische Anwendungen in den genannten Domänen stellen jedoch komplexe zusätzliche Anforderungen, die aktuell nicht oder nur teilweise mit unverhältnismäßig hohem Aufwand erfüllt werden können.

Weitere Informationen (https://www.itiv.kit.edu/5159.php)

Projekt ARGO

Verbesserung der Leistung und Reduktion der Kosten, ohne dabei die funktionalen Sicherheit zu beeinflussen, sind die wichtigsten Anforderungen für eingebettete elektronische Systeme zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrttechnologie, der Automatisierungstechnik und der Automobilindustrie.

Für viele Anwendungen kann die erforderliche Leistung bei geringem Energieverbrauch nur durch maßgeschneiderte Computer-Plattformen auf Basis von heterogenen Many-Core-Architekturen, die mehrere parallel arbeitende Prozessorkerne auf einem Chip zusammenführen, zur Verfügung gestellt werden. Allerdings ist die Programmierung heterogener Many-Core Prozessoren meist sehr komplex, erfordert spezielle Kenntnisse und die Programme müssen genau auf die Zielplattform zugeschnitten werden. In sicherheitskritischen Anwendungen muss zudem noch eine ausreichend kleine Reaktionszeit der Software in allen denkbaren Situationen sichergestellt werden.

Weitere Informationen (https://www.itiv.kit.edu/4833.php)

Projekt ARoMA

Sicherheitskritische Systeme benötigen Redundanz zur Fehlererkennung und -behebung. Abhängig von der Anwendung oder dem Ausführungszustand werden dazu verschiedene Arten von Redundanz benötigt: Zweifachredundanz für Fail-Safe-Systeme und Dreifachredundanz oder noch höhere Redundanz für Fail-Operational-Systeme. Zukünftige sicherheitskritische Systeme werden sich durch Modi-Wechsel zwischen Anwendungen verschiedener Kritikalität auszeichnen.

Weitere Informationen: ( https://www.itiv.kit.edu/5611.php)

Projekt AStriD

Aufgrund der betrieblichen Umgebung - kein öffentlicher Zugang, niedrige Geschwindigkeiten, geregelte Prozesse – könnten autonom fahrende Straßenbahnen bereits heute die Effizienz im Depot steigern, Kosten senken und die Verfügbarkeit steigern. Für die Umsetzung ist es notwendig, offene Forschungsfragen bezüglich der einzusetzenden Sensor- und Lokalisierungstechnologien, des Datenaustausches zwischen den beteiligten Systemen und die Zulassung sowie die rechtlichen Rahmenbedingungen zu beantworten.

Im Projekt AStriD soll eine Vollautomatisierung eines Straßenbahndepots auf Basis einer autonom fahrenden Tram und eines digitalen Betriebshofes am Beispiel der Verkehrsbetriebe Potsdam konzipiert und die technische Machbarkeit prototypisch mit autonom durchgeführten Servicefahrten (z.B. durch eine Waschanlage zu einem Abstellgleis) demonstriert werden. Auf Basis der Erfahrungen aus der Umsetzung soll der weitere wissenschaftliche/technische/rechtliche Handlungsbedarf - bezüglich Sensorik, Datenqualität und –verfügbarkeit, Datenzugriff und den Datenschnittstellen zu den beteiligten Systemen aufgezeigt werden.

Weitere Informationen: (http://www.itiv.kit.edu/7340.php)

Projekt Big Data Analytics in Stadtbussen

Durch die kontinuierlichen technischen Weiterentwicklungen in der Sensortechnik, der Rechenperformanz eingebetteter Systeme und der Datenübertragungsraten über die Luft eröffnen sich neue Chancen für Anwendungen im öffentlichen Nahverkehr. Dazu gehören die viel beachteten automatisierten Fahrzeuge, Themen wie Update-over-the-Air und neue Antriebskonzepte. Jedes Thema für sich bietet darüber hinaus weitere Chancen und Herausforderungen.
Das Fahrzeug öffnet sich, um Daten für Fehlerbehebung („Bugfixes“) oder funktionale Weiterentwicklungen („Updates“) aufzunehmen und die eigenen Daten weiterzugeben, zum Beispiel für eine Erfassung des Fahrzeugzustandes („Prädiktive Diagnose“), aber auch die verteilte Berechnung von Fahrzeugfunktionen außerhalb des Fahrzeugs („verteilte Fahrzeugfunktionen“).

Weitere Informationen: (http://www.itiv.kit.edu/7342.php)

Detektorentechnologie

Das ITIV ist an Detektoren der weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger tätig: dem Belle II Detektor des Hochluminositäts-Collider Super KEKb am KEK in Tsukuba, Japan, an dem Compressed Baryonic Matter (CBM) am GSI in Darmstadt, Deutschland und dem Compact Muon Solenoid des Large Hadron Collider (LHC) am CERN, Schweiz.

Mitarbeiter des ITIV beteiligen sich an der Entwicklung von FPGA-Designs für schnelle Datenverarbeitung zur frühzeitigen Datenreduktion direkt an den Detektoren und an der Entwicklung von Systemen und Interfacing-Komponenten zur Synchronisation der Datenverarbeitungselektronik in der Datenauslese von Detektoren.

Weitere Informationen (https://www.itiv.kit.edu/4955.php)

EASYride - Automatisiertes Fahren im städtischen Kontext – Pilotstadt München

Im Bereich des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) eröffnet das automatisierte Fahren neue Möglichkeiten, das Mobilitätssystem in Effizienz und Umweltfreundlichkeit positiv voranzutreiben.

Um vernetzte Mobilitätsangebote für den urbanen Raum zu schaffen, werden für autonom fahrende Linienbusse neue Randbedingungen und Geschäftsfelder entwickelt. München soll dabei zu einer Modellregion für den Einsatz von automatisierten und vernetzten Mobilitätslösungen werden. Im Laufe des Projektes werden zu diesem Zweck realistische Entwicklungspfade zur „Mobilitätstransformation“ entwickelt.

Weitere Informationen (https://www.itiv.kit.edu/6844.php)

EPI (European Processor Initiative)

Hoch performante Rechnerarchitekturen und Chips für High-Performance Computing (HPC) kommen aktuell zum Großteil aus den USA und Asien. Die Europäische Prozessor Initiative (EPI) möchte diesen Markt auch von Europa aus betreten. Das Ende 2018 gestartete Projekt wird im Rahmen des Horizon 2020 Programms der Europäischen Union gefördert.
Das Konsortium aus 26 Partnern – darunter auch das KIT – hat sich das Ziel gesetzt, den ersten Chip bis spätestens 2022 auf den Markt zu bringen.
Das ITIV als Vollpartner im Projekt beteiligt sich im Automotive Stream.

Weitere Informationen (https://www.itiv.kit.edu/6757.php)

Durchführbarkeitsstudie INTERACt

Im Vorhaben wird im Rahmen einer Durchführbarkeitsstudie und einer sich daran anschließenden Lückenanalyse untersucht, in wieweit es möglich ist, autonom fahrende Lkw auf öffentlichen Straßen und gleichzeitig auf geschlossenen Terminalarealen einzusetzen, und welche technischen, operativen und rechtlichen Anforderungen sowohl an die Fahrzeuge als auch an die beteiligten Transportdienstleister und Terminals zu stellen sind. Das Ergebnis der Studie wird eine Roadmap sein, die die notwendigen zukünftigen Entwicklungsschritte skizziert.

Im Rahmen einer Lückenanalyse wird skizziert welche technischen und rechtlichen Gründe derzeit noch gegen den Einsatz autonomer Lkw sprechen. Die notwendigen Entwicklungen werden systematisch in einer Roadmap zusammengefasst.

Weitere Informationen (https://www.itiv.kit.edu/6295.php)

Projekt InvasIC

Unter dem Begriff Invasives Rechnen wird ein völlig neues Paradigma für den Entwurf und die Programmierung zukünftiger paralleler Rechensysteme erforscht. Die Grundidee besteht darin, parallelen Programmen die Fähigkeit zu verleihen, in einer als Invasion bezeichneten Phase ressourcengewahr Berechnungen auf eine Menge aktuell verfügbarer Ressourcen zu verteilen, und nach paralleler Abarbeitung diese in einer als Rückzug bezeichneten Phase wieder frei zu geben.

Um diese neue Art der selbstadaptiven und ressourcengewahren Programmierung auf zukünftigen MPSoCs (engl. Multi-Processor-Systems-on-a-Chip) effizient zu ermöglichen, bedarf es neuer Programmierkonzepte, Sprachen und Compilern wie auch Laufzeit- bzw. Betriebssystemen sowie revolutionärer Architekturerfindungen, die sich auf die Rekonfigurierbarkeit von sowohl Prozessor-, Verbindungs- als auch Speicher- Ressourcen beziehen.

Weitere Informationen (https://www.itiv.kit.edu/4837.php)

Projekt I4TP

Die Globalisierung des produzierenden Gewerbes und der Trend zur Individualisierung von Gütern bis zur Produktion in Losgröße 1 erfordern eine einfache und schnelle Konzeption und Inbetriebnahme von ebenso individualisierten Produktionssystemen. Solche Industrie-4.0-Produktionssysteme umfassen eine Vielzahl von Einzelmaschinen unterschiedlicher Hersteller und müssen dynamisch konfiguriert und überwacht werden. Die Herausforderungen in Planung, Aufbau und Betrieb solcher Produktionssysteme liegen dabei nicht nur in den Schnittstellen der zu integrierenden Komponenten, sondern auch in der Entwicklung neuer Abläufe, Methoden und Prozesse für eine herstellerübergreifende, globale Zusammenarbeit.

Weitere Informationen: (https://www.itiv.kit.edu/6097.php)

Projekt ModECaP

Der Mobilitätssektor unterliegt starken Veränderungen.Der gesellschaftliche Bedarf an sauberer und nachhaltiger Mobilität nimmt zu, unterstützt durch gesetzliche Vorgaben zur Luftreinhaltung. Die Städte entwickeln sich dabei zu maßgebenden Akteuren. Demographische Trends und Lebensstile, wie Wachstum der Weltbevölkerung und Urbanisierung, sowie Individualisierung hin zur Single-Gesellschaft sind nur einige Trends, die die Mobilität in Zukunft weiter diversifizieren und neuen Mobilitätskonzepten („Mobility-as-a-Service / Pay-per-use“) zum Durchbruch verhelfen können.

In den kommenden Jahren werden sich die drei Technologietrends Hochautomatisiertes Fahren, Elektromobilität und Digitalisierung/Konnektivität gegenseitig verstärken und beschleunigen. Gemeinsam mit der Diversifizierung der Mobilität haben diese Technologien das Potential, das Geschäftsmodell „Automobil“ nachhaltig zu verändern. Um einer gegenüber konventionellen Fahrzeugen geringeren Wertschöpfung bei Elektrofahrzeugen und damit der möglichen Gefahr bei der Beschäftigungssicherung entgegen zu treten, wird u.a. auch nach neuen Produktlösungen, Geschäftsmodellen und (Service-) Angeboten gesucht. Insbesondere werden immer mehr disruptive Lösungen gesucht, die den notwendigen Wandel deutlich besser unterstützen als evolutionäre Entwicklungen in kleinen Schritten. In diesem Projekt wird die Machbarkeit eines disruptiven Fahrzeugkonzeptes basierend auf einer Trennung von Fahrmodul und Transportkapsel untersucht.

Weitere Informationen: (https://www.itiv.kit.edu/6458.php)

Projekt PARFAIT

Ob im Prototyping von Digitalschaltungen oder als rekonfigurierbare Beschleuniger, bieten FPGAs vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Ihre Performance wird jedoch stark durch den Energieverbrauch und die damit verbundene Erwärmung des FPGA sowie durch hohe Signallaufzeiten im Interconnect-Netzwerk eingeschränkt.

Die DeFET-Transistortechnologie ist ein vielversprechender Ansatz, diesen Problemen zu begegnen. Durch zusätzliche Gates bieten DeFET-Transistoren die Möglichkeit, Timing und Energieverbrauch zu beeinflussen, sowie zwischen N- und P-Kanal-Charakteristik umzuschalten (Ambipolarität). Hierdurch ergeben sich fundamental neue Möglichkeiten für FPGA-Architekturen, welche im Rahmen dieses Projektes untersucht werden.

Weitere Informationen: (https://www.itiv.kit.edu/5497.php)

Profilregion Mobilitätssysteme Karlsruhe

Die Profilregion Mobilitätssysteme Karlsruhe ist sie eine offene Innovationsplattform für den partnerschaftlichen Austausch mit Industrie, Wirtschaft, Politik und weiteren Netzwerken.
Durch den gesteigerten Grad der Vernetzung und Automatisierung des Automobils werden sowohl funktionale Sicherheit (Safety) als auch Informationssicherheit (Security) zu wesentlichen Fragestellungen in der Fahrzeugentwicklung. Um in diesem wachsenden Kommunikationsnetzwerk eine sichere Mobilität zu gewährleisten, müssen diese neu entwickelten Systeme vor ihrer Markteinführung in einem hohen Variantenraum von Verkehrssituationen getestet werden. Aktuell finden diese Tests noch überwiegend auf der Straße statt.

Weitere Informationen (http://www.itiv.kit.edu/7254.php)

Projekt PrognoNetz

Der starke Ausbau von erneuerbaren Energien (Windenergie im Norddeutschland und Photovoltaik im Süden) bringt zusammen mit dem gestiegenen internationalen Stromhandel die Stromübertragungsnetze bereits an ihre Grenzen. Um die Übertragungskapazität der Freileitungen zu erhöhen und somit die Abschaltung von Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, vor allem bei hohem Windaufkommen, zu vermeiden, scheint ein erheblicher Ausbau der bestehenden Netzinfrastruktur als erforderlich.
Im Gegensatz dazu kann man den Bedarf an Neubautrassen durch effektive Maßnahmen zur besseren Ausnutzung der vorhandenen Netze deutlich reduzieren. Die Übertragungskapazität lässt sich beispielsweise in Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen (Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und -Richtung) deutlich erhöhen, als in der maßgeblichen Norm konservativ vorgesehen.

Weitere Informationen (http://www.itiv.kit.edu/6519.php)

Projekt Stents4Tomorrow

Seit Jahren stehen bei den Todesursachen Herz-Kreislauf-Erkrankungen weltweit an erster Stelle. Bei der Ursachenbehandlung dieser Krankheiten werden u. a. kardiovaskuläre Implantate, welche auch als Stents bezeichnet werden, eingesetzt. Zur wirtschaftlichen Produktion patientenindividueller Stents ist ein Verfahren mit hoher Flexibilität von Nöten, dass gleichzeitig ressourcenschonend und zuverlässig arbeitet. Im Rahmen des Projekts Stents4Tomorrow wird eine neuartige Tunnelflechtmaschine entwickelt, die die geforderte Flexibilität besitzt, ressourcenschonend arbeitet und die Zuverlässigkeit mittels kamerabasierter Inspektion und Künstlicher Intelligenz sicherstellt.

Weitere Informationen (http://www.itiv.kit.edu/7283.php)

Projekt Step-Up!CPS

In nahezu allen Industriezweigen übernehmen bereits heute Cyber-physische Systeme (CPS) neben Komfortfunktionen auch sicherheitskritische Kontrollfunktionen wie beispielsweise automatisiertes Fahren oder die Steuerung von komplexen Produktionsanlagen. Bei Fehlverhalten dieser CPS ist ihre modulare Updatefähigkeit während des Betriebs unabdingbar, um die funktionale Sicherheit weiter zu garantieren, und somit sichere, leistungsfähige und effiziente zukünftige CPS zu ermöglichen.

Im Vorhaben werden Methoden und Technologien für die modulare Absicherung von Updates für CPS erforscht, und die dafür benötigten Dienste (Services) mit einer neuartigen Middelware für ein dynamisches konfliktfreies Deployment (Installation des Updates) entwickelt. Hiezu spielen der Umgang mit der existierenden Varianten- und Konfigurationsvielfalt und die wesentlichen Safety-Anfoerderungen von CPS eine besondere Rolle. Als zentrale Basis im Vorhaben, die die Anwendung aller entwickelten Methoden und Technologien zusammenfasst, gilt der übergreifende Update-Prozess, der alle Phasen, von der Systementwicklung im Backend bis zur Überwachung des Systems während der Laufzeit, abdeckt.Die Ergebnisse werden in einem Open Innovation Prozess erarbeitet, der von Anfang an Industriepartner aus dem Advisory Board von Step-Up!CPS und weitere Partner als „Ideen-Geber“, „Konzept-Prüfer“ und zukünftige Nutzer der Projektergebnisse einbezieht.

Weitere Informationen (http://www.itiv.kit.edu/6456.php)

Projekt U-Shift I - Mock-Up

In den kommenden Jahren werden die drei Technologietrends hochautomatisiertes Fahren, Elektromobilität und Digitalisierung/Konnektivität zunehmend integriert, mit der Folge, dass sie sich gegenseitig verstärken und beschleunigen. Diese Technologien werden international bereits mit hohem Engagement und Tempo verfolgt. Gemeinsam mit der Diversifizierung der Mobilität haben sie das Potential, das Geschäftsmodell „Automobil“ nachhaltig zu verändern.

Das zentrale Ziel des Projekts „U-Shift I - Mock-Up“ ist es, das hoch innovative Konzept der „On-the-Road“- Fahrzeugmodularisierung in einem 1:1 Mock-Up zu demonstrieren und damit für alle Beteiligten greifbarer zu machen. Ausgehend vom Automobilland Baden-Württemberg soll damit eine Plattform für neue Produkte und Geschäftsmodelle geschaffen werden, die über evolutionäre Ansätze hinausgeht und damit die Transformation in der Wirtschaft des Landes unterstützt.

Weitere Informationen: (https://www.itiv.kit.edu/7293.php)

Projekt U-Shift II - Demonstrator

Das zentrale Ziel des Projekts „U-Shift II - Demonstrator“ ist es, erstmalig das hoch innovative Konzept der „On-the-Road“-Fahrzeugmodularisierung funktional in einem abgesperrten Bereich zu demonstrieren, um dann möglichst die Entwicklung zur Produktreife in eine Markteinführung zu überführen.
Ausgehend vom Automobilland Baden-Württemberg soll damit eine Plattform für neue Produkte und Geschäftsmodelle geschaffen werden, die über evolutionäre Ansätze hinaus geht und damit die Transformation in der Wirtschaft des Landes unterstützt.

Weitere Informationen: (http://www.itiv.kit.edu/7295.php)

Projekt ZuSe-KI-mobil

Künstliche Intelligenz und autonomes Fahren sind technologische Megatrends, welche den Maßstab für erforderliche Rechenleistung in eingebetteten Systemen neu setzen. Dazu bedarf es maßgeschneiderter Prozessoren, die bei hoher Rechenleistung zusätzliche kritische Anforderungen wie z. B. Energieeffizienz oder Sicherheit, erfüllen.

Im Automobil soll künstliche Intelligenz den Sicherheitssystemen ermöglichen, auch in kritischen Situationen eigenständig zu agieren, wobei die Umwelt beispielsweise mithilfe von Radar oder anderen Sensoren präzise erfasst wird. Bei der Verarbeitung der dadurch entstehenden Datenmengen, stoßen heutige eingebettete Systeme an ihre Grenzen. Im Laufe des Projekts soll daher eine leistungsfähige, aber auch energieeffiziente System-on-Chip-Architektur entwickelt werden, welche KI-intensive Anwendungen, wie Sensordatenfusion und 3D-Objekterkennung, ermöglichen soll.

Weitere Informationen: (http://www.itiv.kit.edu/7333.php#)