Projekt | Universität Paderborn

Überblick

Scale4Edge ist ein vom BMBF gefördertes Verbundprojekt, das auf die signifikante Reduzierung der momentan relativ langen Entwicklungszeiten und hohen Entwicklungskosten von applikationsspezifischen Edge-Komponenten abzielt (Plattformkonzept). Der im Projekt verfolgte Ansatz beruht auf der Bereitstellung eines kommerziellen Ökosystems für eine skalierbare und flexibel erweiterbare Edge-Computing-Plattform nach Projektende. Das Ökosystem wird von einer Vielzahl von KMUs in Zusammenarbeit mit Industrie und Forschungsinstituten erstellt. Jedes KMU steuert seine Expertise bei und vermarktet nach Projektende das Ergebnis als Teil des eigenen Produktportfolios.

Das Ökosystem deckt alle essenziellen Aspekte wie Low-Power, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Verifikation, Test, Compiler, Software-Bibliotheken und Debugging ergänzt durch Spezifikation, Verifikationsplan und Dokumentation ab. Es bietet im Unterschied zu anderen Ansätzen und Vorschlägen eine maßgeschneiderte Komplettlösung einschließlich Support an. Darüber hinaus entwickeln KMUs und Industriepartner prototypische Designs und erproben damit das Ökosystem. Die prototypischen Designs werden später ebenfalls in Produkte überführt.

Das Scale4Edge-Ökosystem ist ökonomisch nur auf Basis der freien RISC-V-Instruktionssatzarchitektur möglich, da diese einen kommerziell nutzbaren, standardisierten Basisinstruktionssatz bietet, der applikationsspezifische Erweiterungen ohne einschränkende IP-Rechte gestattet. Dadurch werden die sonst hohen Entwurfs- und Verifikationskosten für anzupassende CPU-Komponenten signifikant gesenkt. Durch die resultierenden Synergieeffekte im Projekt können mittels des Plattformkonzepts kostengünstig und professionell Lösungen als Scale4Edge-Ökosystem angeboten werden, die in Summe eine deutlich günstigere und effizientere Entwicklung von Edge-Komponenten erlauben.

Die schnelle und nachhaltige Anwendung der Projektergebnisse sind oberstes Projektziel. Aus diesem Grund geht das Projekt neue Wege bei der Umsetzung. So sind alle Forschungsvorhaben auf eine Endanwendung ausgelegt, das heißt vom Ende her gedacht und daher stets in Lieferketten eingebettet. Zusätzlich sind die Forschungsarbeiten mit mehr Mitteln ausgestattet, um die Forschung zu vertiefen und gleichzeitig einen Schritt auf die Endanwendung hin zu machen. Außerdem werden die Forschungsarbeiten kontinuierlich mit industrierelevanten Beispielen validiert, um eine hohe Messlatte für Ihre Stärke anzulegen. Dennoch - oder mit Blick auf weltweite Eliteuniversitäten gerade deshalb - werden in der Forschung Spitzenergebnisse erwartet und zum Beispiel durch „Best Paper Awards“ oder Preise für Promotionen bestätigt.

Bei der Durchführung des Vorhabens werden bewährte, agile Methoden eingesetzt. So wird bereits nach sechs Monaten eine Vorversion des Ökosystems, jedoch mit unvollständigem Funktionsumfang bereitstehen. Quartalsmäßig wird der Funktionsumfang dann erweitert und validiert und mündet zu Projektende in einem Prototyp des Scale4Ege-Ökosystems. Industrierelevante Chip-Prototypen werden mit dem zu diesem Zeitpunkt verfügbaren Ökosystem erstellt, um die hohe Qualität der Vorversionen des Ökosystems zu demonstrieren.

Motivation

Das Internet-der-Dinge (Internet-of-Things - IoT) wird sowohl den Lebensstandard im Privaten als auch die Produktivität der Industrie weltweit und damit auch in Deutschland dramatisch verbessern und viele Anwendungsgebiete (u.a. Automobil, Smart-Home, Logistik, Energiewirtschaft, Medizintechnik, Umweltinformation und Wettervorhersage) nachhaltig beeinflussen. Wichtige Voraussetzung für dieses Ziel ist die Bereitstellung von intelligenten Edge-Komponenten in großer Variantenzahl, die maßgeschneidert in ihre Umgebung eingebettet werden müssen und mit dieser selbstständig interagieren. Dabei bezeichnen Edge-Komponenten die Geräte, die zur Kommunikation zwischen Mensch und Umwelt bzw. Maschine und somit zwischen der realen zur virtuellen Welt benötigt werden und die, um eine akzeptable Nutzung zu gewährleisten, mit einem hohen Maß an Intelligenz ausgestattet sein müssen. Hierfür ist eine ressourcen- und energieeffiziente Verarbeitung der Daten direkt in den Edge-Komponenten, im Gegensatz zur herkömmlichen zentralisierten Datenverarbeitung in der Cloud, erforderlich, z.B. um Menschen intelligent zu unterstützen oder optimiert mit Maschinen und Umgebung zu interagieren. Hierbei sollen Sicherheit (Safety und Security) und Privacy mit vollständiger Datensouveränität garantiert werden. Neben dem IoT-Markt profitieren im selben Maße auch wichtige deutsche Schlüsselindustrien wie die Automobilindustrie, die Industrieautomatisierung und die Medizintechnik von den Technologien intelligenter Edge-Komponenten. Auch hier kann die Verlagerung der Datenverarbeitung in intelligente Edge-Komponenten zu neuartigen fortschrittlichen Applikationen führen. Momentan verfügbare Standardkomponenten sind für diese Anwendungsszenarien aufgrund der stark unterschiedlichen Ausprägungen und Anforderungen ungeeignet, so dass für die deutsche Industrie und den deutschen Mittelstand ein großer Bedarf an anwendungsspezifischen Edge-Komponenten mit hohem Marktpotenzial besteht.

Innovation und Perspektiven

Scale4Edge trägt in mehrfacher Weise zur Stärkung der Technologiesouveränität in Deutschland bei. Zum einen stärkt das Projekt die Kompetenz deutscher Firmen und Universitäten im Bereich der Prozessortechnologie im Entwurf und den zugehörigen Lieferketten für verschiedene Edge-Anwendungen und stellt nach Projektende als Ergebnis kommerziell verfügbare Produkte bereit. So werden neben neuen Prozessorarchitekturen auch innovative Software und besondere Verifikationsansätze entstehen, so dass die Technologiesouveränität für das ganze Ökosystem in Form von verschiedenen Lieferketten gestärkt wird. Dadurch, dass Edge-Prozessoren das Verarbeiten und Speichern von Daten autonom durchführen, steigert dies im Gegensatz zu Cloud-Anwendungen die Datensouveränität in der Endanwendung. Dies wird dadurch gestärkt, dass die Sicherheit der Plattform ein explizites Teilziel des Vorhabens darstellt.

Durch den engen und in wesentlichen Teilen offenen Verbund deutscher Industrie- und Forschungspartner tritt das Vorhaben mit einem hohen Anspruch an, die Vertrauenswürdigkeit an die im Scale4Edge-Ökosystem entwickelten Produkte an. Hierzu gehören auch standardkonforme Entwurfsprozesse, teilweise quelloffene Software und ebenso die Sicherheit (Safety, Security) der Plattform sowie eine intensive Überprüfung und Analyse der Entwicklungen.