embedded world Conference 2019 Ohne Hardware läuft nichts

Auch wenn der Software eine immer größere Bedeutung zukommt – die Hardware ist und bleibt das Herzstück eines jeden Elektroniksystems. Auf der Embedded World Conference werden neueste Entwicklungen vorgestellt – für jeden Zweck und in jedem Winkel des IoT.

Die Vielfalt der Einsatzfälle für Embedded-Systeme im industriellen und privaten Umfeld wächst exorbitant. Eine zunehmende Komplexität ist in vielen Bereichen zu beobachten: Beispiele sind automatisiertes Fahren oder selbstständige Produktionssysteme. Immer mehr dieser Systeme agieren vernetzt in riesigen Verbünden. Der derzeit wohl größte denkbare Verbund ist der Straßenverkehr: Eines Tages werden alle Fahrzeuge in der Lage sein, sich mit allen anderen kontinuierlich abzustimmen um ein unfallfreies Fahren zu ermöglichen.

Nicht zu unterschätzen sind dabei die Anforderungen, die aus einer Durchdringung in die kleinsten Dimensionen folgen: an jeder noch so unzugänglichen Stelle soll eine Temperatur, Vibration oder eine andere Größe gemessen werden, sollen Steuer- und Regelaufgaben übernommen und alles in einem vernetzten Verbund geteilt werden. Energieversorgung, Bauraum, Umgebungsbedingungen und ausreichende Rechenleistungen erfordern hoch spezialisierte, effiziente, kleine und robuste Lösungen, die oftmals die Möglichkeiten der Hardware-Produktion bis an die Grenze ausreizen.

Dabei geben die Aspekte der Rechnerarchitekturen, Energieversorgung und -nutzung sowie der Sicherheit gegen unbefugten Eingriff für alle Systeme wichtige Rahmenbedingungen für den Entwurf vor.

Rechnerarchitekturen und ihre Hardware-Realisierungen

In der Welt der klassischen digitalen Controller können Ingenieure heute auf ein großes Angebot an Rechnerkernen zugreifen. Vom kleinen Controller bis zum ausgewachsenen Mehrprozessor-Core ist vieles verfügbar. Und doch handeln viele der Vorträge der embedded world Conference von neuen innovativen Möglichkeiten, besonders anspruchsvolle anwendungsbezogene Rechenopera­tionen mit spezifischen Co-Prozessoren zu realisieren. Auf Basis heutiger FPGAs ist die wirtschaftliche Implementierung sehr komplexer Schaltungen gut möglich. Und mehr: FPGA-kompatible Standard-Prozessor-Module erlauben die Integration des Ganzen in einem Chip. Die Ergänzung von Datenkonversionen, IO-Funktionen oder sonstigen spezifischen Interfaces zur Außenwelt macht ein wirkliches „System-on-Chip“ daraus. Der frühe Traum, aber eigentlich immer auch Sorgenkind der Halbleiterei, der Custom Specific IC, findet auf hoher Systemkomplexitätsebene schon bei kleiner Stückzahl seine Erfüllung.

Bilderkennung in Echtzeit, die Erfassung komplexer Umfelder mit vielen Parametern in hoher Geschwindigkeit bei teilweise starken Schwankungen von Hintergrundparametern lassen den Rechenaufwand weiter an die Grenzen wachsen. Wäre bei lernenden Systemen in unserer realen Welt, die nicht nur wahr und falsch, sondern eigentlich nur die Zwischenzustände, also ein Mehr oder Weniger kennen, nicht manchmal eine neue Form der Datenverarbeitung sinnvoll? Es muss ja nicht gleich ein Quantenrechner sein, der als Embedded-Variante nun noch nicht wirklich vorstellbar ist. Gegen den Strom schwimmt hier ein eingereichter Vortrag, bei dem auf einem kleinen Chip ein parametrierbarer Analogrechner vorgestellt werden soll – die Lösung von Differentialgleichungssystemen praktisch in Echtzeit (jedenfalls mit immer gleicher, bekannter minimaler Latenz), kein Systemabsturz, kein Betriebssystem, kein Software-Update. Die Einbindung in die vernetzte Welt erfordert natürlich wieder ein digitales Interface, das kann wohl aber recht einfach bleiben. Hardware bleibt spannend.

Energieversorgung und Energienutzung:

Für die meisten Systeme kommt der Strom immer noch aus der Steckdose oder aus der Bordbatterie. Der Entwurf eines Netzteils, das mit höchster Effi­zienz den erforderlichen Leistungsbereich mit Präzision, Regeldynamik, Fehlfunktionssicherheit und Störfestigkeit (rein wie raus) bedient, bleibt ein Grundhandwerk des Systementwurfs, das auch heute noch weitere Fortschritte erfährt. Es lohnt den Blick darauf.

Ebenfalls drahtgebunden kann die Energie natürlich auch von Quellen abgegriffen werden, die das eigentlich nicht vorhatten, z. B. aus dem Ethernet oder der im industriellen Bereich durchaus noch vorhandenen seriellen Schnittstelle RS 232. Was Spannung und Strom hat, hat auch Energie. Und wenn nur wenig genug davon erforderlich ist, ist keine Steckdose, kein Akku und keine Batterie mehr nötig.

Doch was, wenn sich das System bewegt, dreht, oder mitgenommen werden soll? Wireless Power Supply heißt hier die Lösung. Die technische Geschichte der drahtlosen Energieübertragung ist älter als manchmal bekannt. In den 90er-Jahren wurden schon versuchsweise Elektrobusse im öffentlichen Verkehr an Haltestellen drahtlos geladen. Aufzüge, Fahrgeschäfte in Freizeitparks und Transportsysteme in Industrieanlagen: Viele bekommen ihre Energie drahtlos. Die Nutzung im Embedded-Umfeld könnte noch viel weiter reichen. Darum ist diesem Thema in der Embedded World Conference 2019 ein eigener Schwerpunkt gewidmet.

Und wenn nun alles nicht geht? Dann eben Energie aus der Umgebung. Solarstrahlung, Vibration, thermische Gefälle oder Kombinationen davon: Wo Energie ist, kann man Strom daraus machen. Zugegebenermaßen mehr oder weniger einfach und ergiebig.

Ein wichtiger Aspekt der Energieeffi­zienz liegt natürlich in der Energieverwendung. Der Energieaufwand pro Task, die Kommunikation mit der Umwelt, alles gilt es energetisch zu optimieren. So gibt es auch zum Thema des Entwurfs von Controllern und deren SW in Hinsicht auf minimalen Energiebedarf, Betriebsstrategien und Powermanagement für eingebettete Systeme auf der Tagung Vorträge und Workshops.

Security durch Hardware

»Irgendwann knacken wir Euch alle« lautet wohl das Credo der Software-Hacker. Wir mögen das nicht. Eine vielversprechende Gegenmaßnahme: Nicht modifizierbare Hardware-Riegel. Datenströme in den Speicher und heraus werden an der Quelle mit Hardware verschlüsselt, und die Speicherbereiche mit Programmcode sind gegen jede Änderung physikalisch verriegelt. So könnte man es jedenfalls machen, wenn da nicht der starke Wunsch nach Over-The-Air-Update-Fähigkeit der Programmsoftware bestünde. Bleibt also das letzte Schlupfloch trotz aller Trustzones immer offen? Die Hacker werden es uns zeigen. Oder hoffentlich auch nicht.

Der Autor

Dr. Bernd Hense
ist Mitglied des Steerings Boards der Embedded World Conference. Er studierte Festkörperelektronik in Darmstadt und war bei Daimler unter anderem für den Entwicklungsbereich von Hochvolt-Komponenten elektrischer Fahrantriebe verantwortlich. Nach einer mehrjährigen Tätigkeit als Geschäftsführer ist er als selbstständiger Berater derzeit für Automobilzulieferer und ein Forschungsprojekt im Bereich Elektromobilität tätig.

Embedded World Conference
Die embedded world Exhibition&Conference findet vom 26.02. – 28.02.2018 auf dem Messegelände in Nürnberg statt. Die Konferenz besteht aus mehr als 250 Vorträgen internationaler Experten. Außerdem gibt es zwölf Classes, bei denen ein Thema einen halben oder ganzen Tag lang in einem Workshop vertieft wird. Hier finden Sie das Tagungsprogramm und können sich auch direkt zur Konferenz anmelden.