Forschungsgebiete

Auf dieser Seite stellen sich die Arbeitsgruppen des Instituts für Technische Informatik der Universität Heidelberg kurz vor. Jede Arbeitsgruppe präsentiert hier ihre Forschungsschwerpunkte und Projekte:

 

ANWENDUNGSSPEZIFISCHES RECHNEN

Unsere Forschung beschäftigt sich mit der signifikanten Verbesserung von Leistung und Genauigkeit im anwendungsspezifischen Rechnung durch eine globale Optimisierung des gesamten Spektrums von numerischen Methoden, Algorithmenentwurf, Softwareimplementierung und Hardwarebeschleunigung.

 

Diese Ebenen haben in der Regel widersprüchliche Anforderungen und ihre Integration stellt viele Herausforderungen dar. So weisen numerisch überlegte Methoden wenig Parallelität auf, bandbreiteneffiziente Algorithmen verwickeln die Verarbeitung von Raum und Zeit in unüberschaubare Softwaremuster, Hochsprachenabstraktionen schaffen Barrieren für Datenlayout und Komposition und hohe Leistung auf heutiger Hardware stellt strenge Anforderungen an parallele Ausführung und Datenzugriff. Eine hohe Leistung und Genauigkeit für die gesamte Anwendung kann nur erreicht werden, wenn diese Anforderungen über alle Ebenen hinweg ausgeglichen werden. 

Den folgenden Themen widmen wir besondere Aufmerksamkeit:

  • Datendarstellung(gemischte Genauigkeiten, Kompression, Redundanz)
  • Datenzugriff (Layout, räumliche und zeitliche Lokalität)
  • Datenstruktur (unstrukturierte Gitter, Graphen, Adaptivität)
  • Numerische Methoden (ILU, Krylov, GMG, AMG)
  • Programmierabstraktionen (CUDA, Thrust, PSTL, C++2x, UPC++)

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RECHNERSYSTEME

Die Forschung im Bereich der Rechensysteme befasst sich heute vor allem mit spezialisierten Formen des Rechnens in Kombination mit der nahtlosen Integration in bestehende Systeme. Spezialisierte Rechensysteme, z. B. auf der Grundlage von GPUs (wie sie für Gaming bekannt sind) oder FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) oder ASICs (nicht die Schuhmarke, sondern anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise), werden durch abnehmende Erträge aus der Skalierung der CMOS-Technologie und harte Leistungsbeschränkungen motiviert. Bei einem festen Leistungsbudget p definiert die Energieeffizienz e die Leistung per f: perf[ops/sec] = p[Watt] * e[ops/Joule]. Eine nachhaltige Leistungsskalierung auf der Basis der CMOS-Technologie setzt also voraus, dass die Energieeffizienz von Rechen- und Speicheroperationen erheblich verbessert wird, was typischerweise durch die oben erwähnten spezialisierten Formen des Rechnens geschieht. Jede Spezialisierung steht jedoch im Gegensatz zur generischen Nutzung und wirft daher verschiedene Fragen in Bezug auf Programmierbarkeit und algorithmische Innovation auf.

 

Besondere Forschungsschwerpunkte sind:

  • ressourceneffiziente ML wie Modellkompression für Edge-, mobile und eingebettete Systeme,
  • Code-Analyse und -Generierung, z. B. auf der Grundlage von CLANG/LLVM und mit Blick auf (Multi-)GPU-Systeme,
  • HW/SW-Codesign zur Erfüllung von Anwendungszielen durch eine umfassende Behandlung von Software- und Hardwarekomponenten
  • spezialisierte Prozessorarchitekturen unter Berücksichtigung von Leistungs-, Energieeffizienz- und Programmierbarkeitsbeschränkungen

Die Gruppe befasst sich vor allem mit der Überbrückung der Kluft zwischen Anwendung und Hardware, einschließlich automatisierter Werkzeuge sowie abstrakter Modelle, die die (automatisierten) Überlegungen über verschiedene Optimierungen und Entscheidungen erleichtern.

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CHIP ENTWURF

In der Gruppe für Schaltungstechnik werden mikroelektronische Chips entwickelt, getestet und angewandt. Diese Chips enthalten meist sehr sensitive, rauscharme Verstärker zur Signalerfassung und weitere Blöcke zur analogen Filterung, Digitalisierung oder digitalen Nachverarbeitung der Daten. Manche Chips enthalten direkt Strukturen zum Nachweis von Teilchen oder (einzelnen) Photonen. Die wesentlichen analogen Teile der Chips werden vollständig manuell entworfen und simuliert. Komplexe digitale Teile werden mit geeigneten Sprachen beschrieben und mit einer aufwändigen Software in mehreren Schritten in ein Layout übersetzt. Beide Teile werden dann vereint. Die Chips werden in modernen CMOS Technologien hergestellt und in der Arbeitsgruppe mit geeigneter Auslesehardware (meist FPGA Boards) in Betrieb genommen.

Beispielprojekte sind Chips zur Auslese von Teilchendetektoren (s.Bild), Detektorchips für Einzelphotonen zur Suche nach dunkler Materie oder für die Mikroskopie, Hybride Pixeldetektoren zum Nachweis von Synchrotron-Röntgenstrahlung beim Eu-XFEL oder an der ESRF oder Chips für State-of-the-Art PET Scanner.  

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BIOROBOTIK UND BIOMECHANIK

Was ist Biorobotik? Und worin besteht die Forschung des ARIES Labors?

Das ARIES Labor der Gruppe von Prof. Dr. Lorenzo Masia stützt seine Forschung auf drei verschiedene Säulen:

  1. Rehabilitationstechnik
  2. Weiche, tragbare Robotik
  3. Intelligente Aktoren und Steuerungen

Das Hauptaugenmerk des Labors liegt auf der Konzeption, dem Design und der Entwicklung von Wearable-Technologien, die den Menschen in verschiedenen Szenarien unterstützen können - von der Rehabilitation und personalisierten Hilfe bis hin zur Unterstützung von Arbeitnehmern in Arbeitsumgebungen, die die Sicherheit und Produktivität erhöhen.

Unser Team verfügt über ein breites Spektrum an Fachkenntnissen, das mechanisches Design, eingebettete Steuerungsimplementierung, computergestützte Biomechanik, maschinelles Lernen und klinische Datenanalyse umfasst. Wir entwickeln unsere eigene Technologie und testen sie an den Endnutzern. Aus diesem Grund arbeiten wir sowohl mit klinischen als auch mit industriellen Partnern zusammen.

Unser oberstes Ziel ist es, auf die neuen Trends in der Interaktion zwischen Mensch und Maschine und in der Wearable Technology zu reagieren. Die Gruppe von Prof. Masia verfügt über vielfältige Erfahrungen in den Bereichen Haptik und Rehabilitationsrobotik und entwickelt alle Projekte im eigenen Haus in einem voll ausgestatteten 200 Quadratmeter großen Labor mit modernsten Instrumenten für die Bewegungserfassung, die Stoffwechselanalyse und das Rapid Prototyping in der Mechatronik.

In den letzten Jahren haben wir auf dem Gebiet des Designs von weichen, tragbaren Exosuits und assistiven Technologien große Aufmerksamkeit erlangt: Wir haben eine Vielzahl von funktionellen Geräten für die oberen Gliedmaßen zur Unterstützung von Hand, Ellbogen und Schultergelenk entwickelt. In jedem dieser Projekte haben wir innovative Steuerungsimplementierungen und komplexe Betätigungsstrategien vorgestellt, die speziell für Wearable Technologies entwickelt wurden. Bei allen Systemen handelt es sich um neuartige Hardware-Implementierungen von weichen Multigelenk-Exosuits für die oberen Gliedmaßen, aber wir sind dabei, unsere Forschungsbereiche auf die Unterstützung der unteren Gliedmaßen auszudehnen, mit besonderem Schwerpunkt auf der Verbesserung der menschlichen Gehfähigkeit. Wir haben auch Erfahrungen mit der Ergänzung industrieller Exoskelette durch eingebettete Antriebe und weiche Schichten gesammelt, um mehr Gelenke zu mobilisieren und den Trägern eine bessere Ausdauer und körperliche Leistungsfähigkeit zu ermöglichen.

 

Worum geht es in der Biomechanik? Das Heidelberger Center for Motion Research

Ob es um die Untersuchung der geschickten Bewegungen eines Turners, die Analyse abnormaler Muskelaktivitäten bei Patienten mit Bewegungsstörungen oder die Schätzung der Höchstgeschwindigkeit eines Tyrannosaurus Rex geht, die Biomechanik konzentriert sich auf das Verständnis von Bewegungen anhand von Mechanik und Physiologie. Dieses breite Forschungsgebiet ist seit der Zeit von Sokrates bis heute präsent. Da die Natur komplex ist, sind viele Forschungsfragen seit Sokrates' Zeiten offen geblieben: Wie funktioniert der Muskel, welche Faktoren beeinflussen die Bewegung? Andere Themen sind ganz neu: Wie können wir sturzgefährdete ältere Menschen trainieren, um ihr Gleichgewicht zu verbessern; wie können wir uns von der Biologie inspirieren lassen, um optimale Steuerungen für ein Exoskelett zur Bewegungsunterstützung zu entwickeln?

An der Universität Heidelberg beschäftigen wir uns vor allem mit den Themen dynamisches Gleichgewicht und Simulation. Sturzverletzungen betreffen überproportional häufig ältere Erwachsene, Amputierte und Menschen mit Bewegungsstörungen. Um die Zahl der Sturzverletzungen zu verringern, konzentrieren wir uns auf die Entwicklung von Methoden zur Identifizierung sturzgefährdeter Personen, die Bewertung der Wirksamkeit von Hilfsmitteln zur Wiederherstellung des Gleichgewichts und die Evaluierung von Trainingsprogrammen zur Verbesserung des Gleichgewichts. Im Rahmen unserer Arbeit zur Entwicklung neuer Maßstäbe für die Quantifizierung des Gleichgewichts suchen wir auch nach neuen Methoden zur Messung von Bewegungen, die sich auf den Alltag in der Klinik oder im Leben der Menschen übertragen lassen. Unser zweiter Forschungsbereich konzentriert sich auf die Modellierung und Prognostizierung menschlicher Bewegungen mithilfe der Mathematik optimaler Kontrolle und der Mehrkörperdynamik. Wir wenden diese Methoden an, um die Entwicklung von Hilfsmitteln voranzutreiben und um die Grundlagen der Bewegungswissenschaft zu untersuchen. Zusammen mit dem medizinischen Fachwissen und den experimentellen und computergestützten Einrichtungen der Universität Heidelberg haben wir zur Konstruktion von Exoskeletten für den unteren Rücken, Fußgelenkorthesen, zur Analyse des Gleichgewichts und zur Entwicklung neuer, tragbarer Hilfsmittel beigetragen 

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