Modul 39-M-Inf-RPRS Rekonfigurierbare und parallele Rechnersysteme

(I) Die Vorlesung vermittelt ein vertieftes Verständnis der Eigenschaften und Anforderungen rekonfigurierbarer und paralleler Rechnersysteme. Zudem zeigt sie Methoden zum Einsatz und zur Programmierung der Architekturen auf. Die Studierenden sind nach dem Besuch der Lehrveranstaltung in der Lage, komplexe Anwendungen so zu beschreiben, dass sie effizient auf die betrachteten Systeme umgesetzt werden können und für eine gegebene Anwendung geeignete Architekturvarianten auszuwählen.

(II) Im Rahmen des Projektes wird der Vorlesungsstoff praktisch angewandt, um das Verständnis der grundlegenden Konzepte und Entwurfsmethoden besser zu verankern. Die Studierenden werden durch die eigenständige Arbeit mit Vorgehensmethoden vertraut, wie sie in wissenschaftlichen und industriellen Projekten gefordert sind. Die Möglichkeit zur Präsentation der eigenen Arbeiten im Rahmen eines Vortrags und einer kurzen Projektdokumentation vertieft zusammen mit der geforderten Teamarbeit wichtige soziale Kompetenzen.

Die Vorlesung befasst sich mit der Architektur und Anwendung rekonfigurierbarer und paralleler Rechnersysteme. Rekonfigurierbarkeit bezeichnet die Möglichkeit, Funktionsblöcke und deren Verschaltung zu verändern. Auf diese Weise können die zur Verfügung stehenden Ressourcen an sich ändernde Anforderungsprofile angepasst werden. Behandelt werden zum einen verschiedene Ansätze zur Rekonfiguration und die daraus resultierenden Architekturen. Die Vielfalt der betrachteten Architekturen reicht von feingranularen Architekturen auf der Basis feldprogrammierbarer Gate Array (FPGAs) bis hin zu grobgranularen Architekturen, die es erlauben, komplexe Module, wie z.B. Arithmetikeinheiten, zu verschalten. Von besonderem Interesse sind dabei Verfahren, die eine dynamische, partielle Rekonfiguration ermöglichen. Dynamische Rekonfigurierbarkeit beschreibt die Möglichkeit, ein System während des Betriebs umzukonfigurieren. Kann ein System partiell rekonfiguriert werden, so bedeutet dies, dass seine interne Struktur nur teilweise verändert wird.

On-Chip-Multiprozessoren (MPSoCs, Multi- oder Manycores) bilden einen weiteren Schwerpunkt der Vorlesung. Hier betrachten wir insbesondere Architekturen, die ihre Leistungsfähigkeit aus hochparallelen Prozessorfeldern beziehen. Der Einsatz von Grafikprozessoren für die Beschleunigung rechenintensiver Applikationen (GPGPU) wird ebenso behandelt, wie neue Universalprozessorarchitekturen mit mehreren hundert Prozessorknoten. Neben den Architekturen diskutieren wir auch die Entwurfsverfahren für die Programmierung rekonfigurierbarer und paralleler Systeme. Einen Schwerpunkt bilden hier automatisierte Werkzeuge, die aus einer Hochsprachenbeschreibung (in der Regel in der Programmiersprache C) voll- oder teilautomatisiert Hardwareimplementierungen für rekonfigurierbare Architekturen oder parallelisierte Umsetzungen für Manycore-Systeme generieren.

(II) Aufbauend auf den in der Vorlesung erworbenen theoretischen Kenntnissen realisieren die Studierenden im Rahmen eines Projektes ausgewählte Anwendungen auf den betrachteten parallelen und rekonfigurierbaren Architekturen. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich der einzelnen Architekturen sowie der Entwurfswerkzeuge. Die Ergebnisse der Projektarbeit werden in einer gemeinsamen Dokumentation zusammengefasst und im Rahmen einer Abschlusspräsentation vorgestellt.

Kenntnisse, wie sie beispielsweise im Modul 39-Inf-14 Digitalelektronik erworben werden können.

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