Institut für Informatik und Computational Science
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As a result of CMOS scaling, radiation-induced Single-Event Effects (SEEs) in electronic circuits became a critical reliability issue for modern Integrated Circuits (ICs) operating under harsh radiation conditions. SEEs can be triggered in combinational or sequential logic by the impact of high-energy particles, leading to destructive or non-destructive faults, resulting in data corruption or even system failure. Typically, the SEE mitigation methods are deployed statically in processing architectures based on the worst-case radiation conditions, which is most of the time unnecessary and results in a resource overhead. Moreover, the space radiation conditions are dynamically changing, especially during Solar Particle Events (SPEs). The intensity of space radiation can differ over five orders of magnitude within a few hours or days, resulting in several orders of magnitude fault probability variation in ICs during SPEs. This thesis introduces a comprehensive approach for designing a self-adaptive fault resilient multiprocessing system to overcome the static mitigation overhead issue. This work mainly addresses the following topics: (1) Design of on-chip radiation particle monitor for real-time radiation environment detection, (2) Investigation of space environment predictor, as support for solar particle events forecast, (3) Dynamic mode configuration in the resilient multiprocessing system. Therefore, according to detected and predicted in-flight space radiation conditions, the target system can be configured to use no mitigation or low-overhead mitigation during non-critical periods of time. The redundant resources can be used to improve system performance or save power. On the other hand, during increased radiation activity periods, such as SPEs, the mitigation methods can be dynamically configured appropriately depending on the real-time space radiation environment, resulting in higher system reliability. Thus, a dynamic trade-off in the target system between reliability, performance and power consumption in real-time can be achieved. All results of this work are evaluated in a highly reliable quad-core multiprocessing system that allows the self-adaptive setting of optimal radiation mitigation mechanisms during run-time. Proposed methods can serve as a basis for establishing a comprehensive self-adaptive resilient system design process. Successful implementation of the proposed design in the quad-core multiprocessor shows its application perspective also in the other designs.
Reliable and robust data processing is one of the hardest requirements for systems in fields such as medicine, security, automotive, aviation, and space, to prevent critical system failures caused by changes in operating or environmental conditions. In particular, Signal Integrity (SI) effects such as crosstalk may distort the signal information in sensitive mixed-signal designs. A challenge for hardware systems used in the space are radiation effects. Namely, Single Event Effects (SEEs) induced by high-energy particle hits may lead to faulty computation, corrupted configuration settings, undesired system behavior, or even total malfunction.
Since these applications require an extra effort in design and implementation, it is beneficial to master the standard cell design process and corresponding design flow methodologies optimized for such challenges. Especially for reliable, low-noise differential signaling logic such as Current Mode Logic (CML), a digital design flow is an orthogonal approach compared to traditional manual design. As a consequence, mandatory preliminary considerations need to be addressed in more detail. First of all, standard cell library concepts with suitable cell extensions for reliable systems and robust space applications have to be elaborated. Resulting design concepts at the cell level should enable the logical synthesis for differential logic design or improve the radiation-hardness. In parallel, the main objectives of the proposed cell architectures are to reduce the occupied area, power, and delay overhead. Second, a special setup for standard cell characterization is additionally required for a proper and accurate logic gate modeling. Last but not least, design methodologies for mandatory design flow stages such as logic synthesis and place and route need to be developed for the respective hardware systems to keep the reliability or the radiation-hardness at an acceptable level.
This Thesis proposes and investigates standard cell-based design methodologies and techniques for reliable and robust hardware systems implemented in a conventional semi-conductor technology. The focus of this work is on reliable differential logic design and robust radiation-hardening-by-design circuits. The synergistic connections of the digital design flow stages are systematically addressed for these two types of hardware systems. In more detail, a library for differential logic is extended with single-ended pseudo-gates for intermediate design steps to support the logic synthesis and layout generation with commercial Computer-Aided Design (CAD) tools. Special cell layouts are proposed to relax signal routing. A library set for space applications is similarly extended by novel Radiation-Hardening-by-Design (RHBD) Triple Modular Redundancy (TMR) cells, enabling a one fault correction. Therein, additional optimized architectures for glitch filter cells, robust scannable and self-correcting flip-flops, and clock-gates are proposed. The circuit concepts and the physical layout representation views of the differential logic gates and the RHBD cells are discussed. However, the quality of results of designs depends implicitly on the accuracy of the standard cell characterization which is examined for both types therefore. The entire design flow is elaborated from the hardware design description to the layout representations. A 2-Phase routing approach together with an intermediate design conversion step is proposed after the initial place and route stage for reliable, pure differential designs, whereas a special constraining for RHBD applications in a standard technology is presented.
The digital design flow for differential logic design is successfully demonstrated on a reliable differential bipolar CML application. A balanced routing result of its differential signal pairs is obtained by the proposed 2-Phase-routing approach. Moreover, the elaborated standard cell concepts and design methodology for RHBD circuits are applied to the digital part of a 7.5-15.5 MSPS 14-bit Analog-to-Digital Converter (ADC) and a complex microcontroller architecture. The ADC is implemented in an unhardened standard semiconductor technology and successfully verified by electrical measurements. The overhead of the proposed hardening approach is additionally evaluated by design exploration of the microcontroller application. Furthermore, the first obtained related measurement results of novel RHBD-∆TMR flip-flops show a radiation-tolerance up to a threshold Linear Energy Transfer (LET) of 46.1, 52.0, and 62.5 MeV cm2 mg-1 and savings in silicon area of 25-50 % for selected TMR standard cell candidates.
As a conclusion, the presented design concepts at the cell and library levels, as well as the design flow modifications are adaptable and transferable to other technology nodes. In particular, the design of hybrid solutions with integrated reliable differential logic modules together with robust radiation-tolerant circuit parts is enabled by the standard cell concepts and design methods proposed in this work.
Eine übliche Erzählung verknüpft lange Studienzeiten und hohe Abbrecherquoten im Informatikstudium zum einen mit der sehr gut bezahlten Nebentätigkeit von Studierenden in der Informatikbranche, die deutlich studienzeitverlängernd sei; zum anderen werde wegen des hohen Bedarfs an Informatikern ein formeller Studienabschluss von den Studierenden häufig als entbehrlich betrachtet und eine Karriere in der Informatikbranche ohne abgeschlossenes Studium begonnen. In dieser Studie, durchgeführt an der Universität Potsdam, untersuchen wir, wie viele Informatikstudierende neben dem Studium innerhalb und außerhalb der Informatikbranche arbeiten, welche Erwartungen sie neben der Bezahlung damit verbinden und wie sich die Tätigkeit auf ihr Studium und ihre spätere berufliche Perspektive auswirkt. Aus aktuellem Anlass interessieren uns auch die Auswirkungen der Covid-19-Pandemie auf die Arbeitstätigkeiten der Informatikstudierenden.
Die fortschreitende Digitalisierung durchzieht immer mehr Lebensbereiche und führt zu immer komplexeren sozio-technischen Systemen. Obwohl diese Systeme zur Lebenserleichterung entwickelt werden, können auch unerwünschte Nebeneffekte entstehen. Ein solcher Nebeneffekt könnte z.B. die Datennutzung aus Fitness-Apps für nachteilige Versicherungsentscheidungen sein. Diese Nebeneffekte manifestieren sich auf allen Ebenen zwischen Individuum und Gesellschaft. Systeme mit zuvor unerwarteten Nebeneffekten können zu sinkender Akzeptanz oder einem Verlust von Vertrauen führen. Da solche Nebeneffekte oft erst im Gebrauch in Erscheinung treten, bedarf es einer besonderen Betrachtung bereits im Konstruktionsprozess. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, um den Konstruktionsprozess um ein geeignetes Hilfsmittel zur systematischen Reflexion zu ergänzen.
In vorliegender Arbeit wurde ein Analysetool zur Identifikation und Analyse komplexer Interaktionssituationen in Software-Entwicklungsprojekten entwickelt. Komplexe Interaktionssituationen sind von hoher Dynamik geprägt, aus der eine Unvorhersehbarkeit der Ursache-Wirkungs-Beziehungen folgt. Hierdurch können die Akteur*innen die Auswirkungen der eigenen Handlungen nicht mehr überblicken, sondern lediglich im Nachhinein rekonstruieren. Hieraus können sich fehlerhafte Interaktionsverläufe auf vielfältigen Ebenen ergeben und oben genannte Nebeneffekte entstehen. Das Analysetool unterstützt die Konstrukteur*innen in jeder Phase der Entwicklung durch eine angeleitete Reflexion, um potenziell komplexe Interaktionssituationen zu antizipieren und ihnen durch Analyse der möglichen Ursachen der Komplexitätswahrnehmung zu begegnen.
Ausgehend von der Definition für Interaktionskomplexität wurden Item-Indikatoren zur Erfassung komplexer Interaktionssituationen entwickelt, die dann anhand von geeigneten Kriterien für Komplexität analysiert werden. Das Analysetool ist als „Do-It-Yourself“ Fragebogen mit eigenständiger Auswertung aufgebaut. Die Genese des Fragebogens und die Ergebnisse der durchgeführten Evaluation an fünf Softwarentwickler*innen werden dargestellt. Es konnte festgestellt werden, dass das Analysetool bei den Befragten als anwendbar, effektiv und hilfreich wahrgenommen wurde und damit eine hohe Akzeptanz bei der Zielgruppe genießt. Dieser Befund unterstützt die gute Einbindung des Analysetools in den Software-Entwicklungsprozess.
Wo programmiert wird, da passieren Fehler. Um das Debugging, also die Suche sowie die Behebung von Fehlern in Quellcode, stärker explizit zu adressieren, verfolgt die vorliegende Arbeit das Ziel, entlang einer prototypischen Lernumgebung sowohl ein systematisches Vorgehen während des Debuggings zu vermitteln als auch Gestaltungsfolgerungen für ebensolche Lernumgebungen zu identifizieren. Dazu wird die folgende Forschungsfrage gestellt: Wie verhalten sich die Lernenden während des kurzzeitigen Gebrauchs einer Lernumgebung nach dem Cognitive Apprenticeship-Ansatz mit dem Ziel der expliziten Vermittlung eines systematischen Debuggingvorgehens und welche Eindrücke entstehen während der Bearbeitung?
Zur Beantwortung dieser Forschungsfrage wurde orientierend an literaturbasierten Implikationen für die Vermittlung von Debugging und (medien-)didaktischen Gestaltungsaspekten eine prototypische Lernumgebung entwickelt und im Rahmen einer qualitativen Nutzerstudie mit Bachelorstudierenden informatischer Studiengänge erprobt. Hierbei wurden zum einen anwendungsbezogene Verbesserungspotenziale identifiziert. Zum anderen zeigte sich insbesondere gegenüber der Systematisierung des Debuggingprozesses innerhalb der Aufgabenbearbeitung eine positive Resonanz. Eine Untersuchung, inwieweit sich die Nutzung der Lernumgebung längerfristig auf das Verhalten von Personen und ihre Vorgehensweisen während des Debuggings auswirkt, könnte Gegenstand kommender Arbeiten sein.
In this paper two new methods for the design of fault-tolerant pipelined sequential and combinational circuits, called Error Detection and Partial Error Correction (EDPEC) and Full Error Detection and Correction (FEDC), are described. The proposed methods are based on an Error Detection Logic (EDC) in the combinational circuit part combined with fault tolerant memory elements implemented using fault tolerant master–slave flip-flops. If a transient error, due to a transient fault in the combinational circuit part is detected by the EDC, the error signal controls the latching stage of the flip-flops such that the previous correct state of the register stage is retained until the transient error disappears. The system can continue to work in its previous correct state and no additional recovery procedure (with typically reduced clock frequency) is necessary. The target applications are dataflow processing blocks, for which software-based recovery methods cannot be easily applied. The presented architectures address both single events as well as timing faults of arbitrarily long duration. An example of this architecture is developed and described, based on the carry look-ahead adder. The timing conditions are carefully investigated and simulated up to the layout level. The enhancement of the baseline architecture is demonstrated with respect to the achieved fault tolerance for the single event and timing faults. It is observed that the number of uncorrected single events is reduced by the EDPEC architecture by 2.36 times compared with previous solution. The FEDC architecture further reduces the number of uncorrected events to zero and outperforms the Triple Modular Redundancy (TMR) with respect to correction of timing faults. The power overhead of both new architectures is about 26–28% lower than the TMR.