Forschung am Institut für Technische Informatik

Auf dieser Seite stellen sich die sechs Lehrstühle des Instituts für Technische Informatik der Universität Heidelberg kurz vor. Jeder Lehrstuhl präsentiert hier seine Forschungsschwerpunkte und Projekte:

 

Automation - Prof. Dr. E. Badreddin

logo

Forschungsschwerpunkte am Lehrstuhl für Automation sind verfahrenstechnische und autonome Systemen mit zahlreichen Anwendungsszenarien im Bereich der Ingenieurswissenschaften und Informatik. Der Lehrstuhl ist auf zwei Forschungsgebiete spezialisiert, die im Folgenden kurz beschrieben werden.

Regelung verlässlicher, verfahrenstechnischer Systeme

ProcessViele physikalische und technische Systeme sind hybrid in dem Sinne, dass sie Grenzen und Beschränkungen aufweisen. Ein natürlicher Weg zur Modellierung derartiger Systeme besteht darin, eine Mischung aus Differentialgleichungen und Ungleichungen zu verwenden. Weitere Systeme weisen Schalter und Relais auf, die direkt als hybrides System modellierbar sind. Obwohl einige Modi nicht im strengen Sinne diskret sein können, kann es von Vorteil sein, sie ebenfalls in dieser Form zu modellieren. Ein Beispiel hierzu sind nichtlineare Systeme, die durch einen Satz linearer Modelle beschrieben werden, wobei jedes Modell ein Teil des Zustandsraums deckt. Weiter kann es für verfahrenstechnische Systeme notwendig sein, den Arbeitspunkt des Systems zu ändern oder im Fehlerfall das komplette System zu rekonfigurieren. Fehlertolerante Systeme können also auch als hybride Systeme modelliert werden.

Hybride und fehlertolerante Systeme können in einem sehr breiten Anwendungsspektrum verwendet werden. Dazu zählen zum Beispiel die Flugregelung, Flugverkehrsleitung, Raketensteuerung, Verfahrenstechnik, Robotik, etc. Die Prozesstechnikgruppe des Lehrstuhls für Automation arbeitet v.a. im Bereich der Modellierung und Regelung von hybriden Systemen in der Anwendung von verfahrenstechnischen Systemen wie Wasserentsalzungsanlagen, Bioreaktoren und erneuerbare Energiesysteme.

Autonome Systeme und Medizin- und Rehabilitationsrobotik

Autonome Mobile Systeme wie beispielsweise Roboter können die ihnen übertragene Aufgaben ohne menschliches Eingreifen durchführen. Zur Wahrnehmung der Umwelt werden verschiedene Arten von Sensoren eingesetzt. Dies ermöglicht sicheres Navigieren und die Manipulation von Objekten in der Umgebung. Die Medizin- und Rehabilitationstechnik ist eine der Schlüsseltechnologien unserer Gesellschaft. Anwendungsgebiete medizinischer Geräte findet man vor allem in der Intensivmedizin, in der Chirurgie und in der Orthopädie, aber auch in vielen weiteren Bereichen der Medizin. Ältere und behinderte Menschen werden durch den Einsatz von rehabilitationstechnischen Hilfsmitteln in die Lage versetzt, ihr Leben selbständig zu gestalten.

Robotics

Die Robotikforschung ist stark interdisziplinär, die Realisierung eines erfolgsversprechenden autonomen Systems ist nur möglich, wenn Verfahren und Techniken aus verschiedenen Forschungsgebieten kombiniert werden. Einige der wichtigsten Gebiete sind dabei Regelungstechnik, Kinematik, Dynamik, Sensorik, Aktorik, Sicherheitstechniken, Verlässlichkeit, Bild- und Signalverarbeitung, Soft Computing, kognitive Systeme, Echtzeitprogrammierung und viele mehr.

 

Projekte

  • EU Projekt Open-Gain – Optimaler Systementwurf für verlässliche Wasser- und Stromversorgung in abgelegenen Gebieten mittels erneuerbarer Energien und intelligenter Automation
    • Wasseraufbereitung mit regenerativer Energie aus Sonne und Wind
  • ECOMODIS – Effiziente komponentenbasierte Entwicklung verlässlicher Computer-System
  • Weitere Projekte sind zum Beispiel "Chirurgiebohrer", "Fehlertolerante Systeme", "Holonome Mobile Roboter", "Intelligenter Rollstuhl", etc.

Lehrstuhlwebseite besuchen

top icon

 

Optoelektronik - Prof. Dr. K.-H. Brenner

Die Forschungsaktivitäten des Lehrstuhls für Optoelektronik liegen im Bereich der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung mikrooptischer Bauelemente und Systeme. Hauptanwendungsbereiche für diese Komponenten sind die optische Informationstechnik und die Medizintechnik.
Durch Ionenaustauschtechniken werden am Lehrstuhl planare Mikrolinsen hoher optischer Qualität (beugungsbegrenzt) hergestellt. Es können Linsen unterschiedlicher Brennweite auf einem Substrat kombiniert werden. Die Linsenberandung kann kreisförmig oder quadratisch sein. Anwendungsfelder dieser Mikrolinsen sind die optische Verbindungstechnik und die Wellenfrontmessung. Durch Tiefenlithographie mit UV-Licht können unter Verwendung von Senkrecht- oder Schrägbelichtung Halteelemente für die Faser-Verbindungstechnik hergestellt werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt im Design und der Herstellung von nicht-abbildenden optischen Komponenten für die Strahlformung bzw. die Beleuchtung optischer Systeme.

Für die Komponentenherstellung ist der Lehrstuhl ausgestattet mit einem Reinraum, einem Prozesslabor, und mehreren Optiklabors. Im Reinraum werden Geräte für den lithographischen Prozess betrieben. Darunter ein Laserlithograph mit einem Adressraster von 50 nm und einer kleinsten Strukturgröße von 0.8 µm auf einem Feld von maximal 6" x 6". Ferner bietet der Lehrstuhl für Optoelektronik Dienstleistungen im Bereich der Mikrooptik an. Das Spektrum reicht dabei von der Beratung über Machbarkeitsstudien, Prototypen bis zur Kleinstserienfertigung.

Lehrstuhlwebseite besuchen

top icon

  

Rechnerarchitektur - Prof. Dr. U. Brüning

cag logo

Der Lehrstuhl für Rechnerarchitektur der Universität Heidelberg ist auf den Entwurf komplexer Hardware- und Softwaresysteme spezialisiert. Als Rechnerarchitekten beschäftigen wir uns nicht nur mit den Funktionsprinzipien der Hardware, sondern decken auch die für die Entwicklung realer Prototypen notwendige Technologie und Software ab. Alle Ebenen des Systementwurfs werden behandelt, beginnend mit dem Application Programming Interface (z.B. MPI), über die effiziente Programmierung der Gerätetreiber bis hin zur Realisierung eigener Hardware mit Standardzellen.

Der Lehrstuhl ist spezialisiert auf die Entwicklung paralleler Systeme, die ihre hohe Leistung durch die Optimierung der Kommunikation zwischen den einzelnen Recheneinheiten erreichen. Die Skalierung solcher Systeme stellt hohe Anforderungen an das Verbindungsnetzwerk und an die Netzwerkcontroller. Besondere Aufmerksamkeit schenken wir der Schnittstelle zwischen Hardware und Software zur Bereitstellung von Kommunikationsbefehlen.


Forschungsgebiete:

  • Parallel- und Clustercomputing
  • Neuartige Computerarchitekturen und Parallelrechner
  • Latenzarme Verbindungsnetzwerke für die Kommunikation in Clustersystemen
  • Effiziente Hardwareentwurfswerkzeuge




Einige Projekte:

  • Center of Excellence for Hypertransport
  • HTX Board: Eine universelle Hypertransport Testplattform
  • SEED: Support for Education in Electronic Design
  • ATOLL: Atomic low latency verbindungsnetzwerk für Clustercomputer
  • FSM Designer 4: Ein effizientes FSM design tool

Lehrstuhlwebseite besuchen

top icon

  

Schaltungstechnik und Simulation - Prof. Dr. P. Fischer

Am Lehrstuhl für Schaltungstechnik werden mikroelektronische Schaltungen entworfen, getestet und in praktischen Anwendungen eingesetzt. Diese Mikrochips enthalten meist hochempfindliche, rauscharme Verstärker zur Aufbereitung von Sensorsignalen und eine an die jeweilige Anwendung angepasste analoge und digitale Weiterverarbeitung. Die zentralen Baugruppen in den Chips werden manuell entworfen und analog simuliert um die maximale Performance zu erreichen. Die Designs werden in modernsten CMOS Technologien hergestellt und am Lehrstuhl in Betrieb genommen. Zum Einsatz in der Anwendung gehört neben dem Chipdesign auch der Aufbau geeigneter Kontroll- und Auslesesysteme, die Steuerung aller Komponenten und die Auslese und Analyse der Daten.

Einige aktuelle Beispiele für die Anwendungen unserer Chipentwicklungen sind

  • Hochintegrierte Elektronik für Positronen-Emissions-Tomographie 
  • Ausleseelektronik für DEPFET Sensoren für den geplanten ILC Detektor
  • Chips zum Röntgennachweis mit hybriden Pixelsensoren 
  • Neuartige monolitische Pixelsensoren 
  • Entwicklung von Front-End Elektronik für das CBM Experiment bei FAIR an der GSI.
  • Hochgeschwindigkeitsmikroskopie innerhalb des Projekts Viroquant
  • Detektoren für Experimente mit Synchrotronstrahlung bei DESY, ESRF und dem zukünftigen XFEL
  • Schaltungstechniken zur Erzeugung geheimer Sicherheits-Schlüssel

Ohne solche auf eine spezielle Anwendung hin hochoptimierte Chips und Systeme sind heute viele Forschungsprojekte nicht mehr realisierbar.

In der Lehre bieten die Lehrstühle für Rechnerarchitektur und Schaltungstechnik gemeinsam die Vertiefung "Chipentwurf" an. Ausgehend vom Transistor und der Herstellungstechnologie von Chips werden analoge Grundlagen vermittelt, die Beschreibung digitaler Schaltungen detailliert behandelt und der vollständige Weg von der Idee bis zum fertigen Chip auch in praktischen Übungen beschritten.

Lehrstuhlwebseite besuchen

top icon

  

Anwendungsspezifisches Rechnen - Prof. Dr. R. Strzodka

Displacements in an object under loadTime skewing algorithmParallel access in AoS and SoA

Unsere Forschung strebt signifikante Fortschritte der Leistung und Genauigkeit im anwendungsspezifischen Rechnen durch eine globale Optimierung über das gesamte Spektrum der numerischen Methoden, Algorithmen Entwicklung, Software Implementierung und Hardware Beschleunigung.

Diese Stufen haben typischerweise widersprechende Forderungen und ihre Integration stellt viele Herausforderungen. Beispielsweise, numerisch starke Methoden erlauben nur wenig parallele Ausführung, bandbreiten-effiziente Algorithmen vermengen die Verarbeitung von Zeit- und Raumindizes in nur schwer handbare Software-Konstrukte, Abstraktionen in Hochsprachen erzeugen Barrieren bezüglich der Daten-Repräsentation und Komposition, und schließlich hohe Leistung auf heutiger Hardware stellt strikte Anforderungen an parallele Verarbeitung und Datenzugriffe. Hohe Leistung und Genauigkeit für eine gesamte Anwendung kann nur erreicht werden durch das sorgfältige Balancieren der Anforderungen aller dieser Stufen.

Den folgenden Themen wird besondere Aufmerksamkeit gewidmet:
- Gemischtgenaue Methoden
- Multigrid Methoden
- Adaptive Datenstrukturen
- Datenrepräsentation
- Bandbreiten-Optimierung
- Rekonfigurierbares Rechnen 

Lehrstuhlwebseite besuchen

back to top