Reconfigurable Computing: Paradigmen-Wechsel erschüttern die Fundamente der Informatik

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1 Reconfigurable Computing: Paradigmen-Wechsel erschüttern die Fundamente der Informatik Toward Reconfigurable Computing via Concussive Paradigm Shifts Reiner Hartenstein 1 (eingeladener Beitrag), Nach einem Überblick über Entwicklungen, welche jeweils die akademische Denkweise in eine neue Richtung lenken, zeigt das Papier, wie die Anwendung rekonfigurierbarer Plattformen einen grundlegenden Paradigmenwechsel einführt, der mit traditionellen Qualifikationen der Informatik kollidiert in Gebieten wie Entwurfsautomatisierung, Entwicklung eingebetteter Systeme, parallele Algorithmen, Compiler-Techniken, Prinzipien und Architekturen von Computer-Systemen usw. Die typischen akademischen Kurrikula der Informatik führen in eine Katastrophe, die ihre Absolventen ohne Qualifikation für den Arbeitsmarkt der nahen Zukunft entläßt The paper is beginning with a survey on paradigm shifts affecting academic mind sets. Then the paper points out, how reconfigurable platforms and their applications introduce fundamental padadigm shifts colliding with the traditional backgrounds of EE and CS professionals, having a heavy impact on several areas, such as design automation, embedded system design, parallel algorithms, compilation techniques, computing machine principles and architectures and other areas. Our academic education system is heading toward a desaster, where our graduates will not be qualified to meet the requirements of the labour market. The paper discusses proposals to solve these problems. 1. Vorwort Nach Verleihung des akademischen Grades eines Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik im Jahre 1959 (durch die Universität Karlsruhe, wo ich später auch promoviert habe) habe ich zeitlebens für die Informatik gearbeitet bzw. für deren Vorstufen (z. B. bei Prof. Steinbuch). Natürlich wurde ich ein Vertreter der Technischen Informatik. Im Spannungsfeld der Gruppen-Egoismen in Deutschland habe ich oft Partei ergriffen zu Gunsten der Informatik. Zeitlebens haben mich Paradigmen-Wechsel fasziniert, die auch eine Revolutionierung der Kurrikula erforderten. Gelegentlich habe ich mich auch an Bemühungen zu deren Durchbruch beteiligt, wie beispielsweisein der Mikroprogrammierung [1] [3] [4] [5] [6], bei Hardware-Sprachen (HDLs) [7] [8] [9] [10] [11], Entwurfs-Automatisierung (EDA) der Mikroelektronik [12] [13] [14] [15] [16], Maschinen-Paradigmen [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29], Reconfigurable Computing (RC) [24] [25] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40], 1. IEEE fellow, TU Kaiserslautern,

2 Bild 1: Wandel der.zuständigkeiten im Baustein-orientierten Hardware-Entwurf. und Term-Ersetzungs-Methoden zum strukturierten Hardware-Entwurf. [41] [42] [43] [44] [45]. Oft habe ich versucht, ein Lobbyist zu sein, auch für die Technische Informatik [12] [46] [47] [48]. 1.1 Gründerzeit der Informatik Zum Wintersemester 1969 führte die Universität Karlsruhe Westdeutschlands ersten Studiengang für Informatik ein. Zwei Jahre davor war Prof. Karl Steinbuchs [49] monatelang SPIEGEL-notierter Bestseller Falsch programmiert erschienen [50], in welchem er vor der weit verbreiteten Technik-Ignoranz warnte, die bei uns als Kavaliersdelikt sogar angesehen sei. Wenn wir so weitermachen, meinte Steinbuch, müßten wir im Jahr 2000 den Gürtel enger schnallen. Der Name Informatik war von Prof. Karl Steinbuch geprägt worden zu einer Zeit, da er noch Direktor des SEL Informatik-Werks in Stuttgart war. SEL stimmte der Verwendung des Namens zu. Um 1960 wurden noch 80% der in der BRD eingesetzten Computer im Lande selbst hergestellt [47]. Lediglich 20% wurden importiert. Das fünfte Rad am Wagen Zwischen den Ziehvätern der Technischen, Praktischen, und Theoretischen Informatik herrschte von Anfang an ein Spannungsfeld. Jede der drei Gruppen versuchte, das Tischtuch in eine andere Richtung zu ziehen [51]. Ein Entrümpeln der Kurrikula wurde jahrzehntelang blockiert. Es gab nur wenige Universitäten, wie beispielsweise Karlsruhe und Kaiserslautern, wo die Technische Informatik in den Studienordnungen sehr stark vertreten war. Auch bei der GI war die Technische Informatik bis dato eher fünftes Rad am Wagen. Ist Bonn doch Weimar? Nein: Schilda! Die Förderung der Datenverarbeitung in Deutschland erreichte 1975 ihren Höhepunkt im Umfang von 441 Millionen DM. Etwa diese Zeit markiert den eigentlichen Beginn des Computer-Zeitalters wurde der intel 8080 eingeführt und 1974 Fa. Microsoft gegründet. Der Altair, ein Vorläufer des PC, wurde ein Renner. Erste Computer-Zeitschriften erschienen am Markt. Ab diesem Jahr 1975 wurde in Deutschland die Förderung der Datenverarbeitung ständig zurückgefahren, bis auf null etwa Mitte der 80er Jahre. Klamm-heimlich verabschiedete der BMFT später die Doktrin

3 Bild 2: Arbeitsteilung; mittlere Spalte: bei Herstellern von Katalogschaltungen, rechte Spalte: neue Mikroelektronik. keine Hardware-Förderung mehr. Eine von Prof. Wolfgang Giloi in Dagstuhl organisierte und von Dutzenden von Professoren unterzeichnete Protestresolution erreichte praktisch nichts. 2. Höhere Sprachen im Vormarsch Immer wieder hat die höhere Abstraktionsebene höherer Sprachen sich als Vorteil erwiesen gegenüber typischen Entwurfsverfahren der Hardware. Oft wurde hierdurch die Designer-Produktivität drastisch verbessert. Eines der ältesten Beispiele ist der Ersatz des klassischen Entwurfes von Schaltwerken durch die Mikroprogrammierung. Später kam die Einführung von Hardware-Sprachen (HDLs) als Ersatz für die bis dahin übliche Form der Beschreibung von Hardware-Systemen und Subsystemen. Heute befinden wir uns bei der EDA im Übergang von HDLs zur Beschreibung von Systemen durch Derivate höherer Programmiersprachen wie beispielsweise SystemC. 2.1 Mikroprogrammierung Ein frühes Beispiel der Anwendung von Informatik-Methoden für den Hardware-Entwurf war die Mikroprogrammierung [3] [4] [5] [6]. Der ursprüngliche Entwurf der damals recht komplexen Computer-Steuerwerke mit Methoden des klassischen Schaltwerks-Entwurf erbrachte eine sehr schlechte Entwickler-Produktivität. Dieses Problem war sr. Zeit (etwa Ende der 60er Jahre) mit eine der Ursachen, daß der Entwicklungs-Zeitplan des mit vielen Vorschußlorbeeren bedachte AEG-Telefunken- Rechner TR-440 um fast 2 Jahre überschritten wurde. Die Architektur mikroprogrammierbarer Steuerwerke erlaubte den Ersatz des Schaltwerksentwurf durch eine Programmier-Tätigkeit. Üblichen höheren Programmiersprachen nicht unähnliche höhere Mikroprogrammier-Sprachen sorgten für erheblich besser lesbare Dokumentation und erlaubten eine inkrementelle Vorgehensweise. Erst RISC- Rechner mit sehr einfachen Steuerwerken und das Aufkommen implementierter Schaltwerks-Entwurfs-

4 Bild 3 CAD framework des CVT-Projekt Umgebungen mit gut lesbaren höheren Eingabesprachen machten mikroprogrammierbare Architekturen nach etwa einem Jahrzehnt wieder überflüssig Nested Machines Eine inzwischen wieder in Vergessenheit geratene Form der Parallelität sind verschachtelte Maschinen (nested machines), ein Nebenprodukt der Mikroprogrammierung [1] [3]. Hierbei erhält jede Unterprogramm-Ebene jeweils eine innere Maschine als eigene Ressource. Gegenüber klassischer Unterprogramm-Ausführung können hierbei durch Vermeidung von Multiplexing-Overhead, wie z. B. Kontext-Umschaltung u. a., drastische Durchsatz-Verbesserungen erzielt werden [1]. 2.2 Höhere Hardware-Sprachen (HDLs) Die Einführung von HDLs, ursprünglich Dialekte von FORTRAN, APL, PASCAL und anderen höheren Programmiersprachen, brachte eine Reihe von Vorteilen [7]: Maschinenlesbarkeit und damit Kompilierbarkeit, Simulierbarkeit sowie auch eine relativ gute Lesbarkeit durch Informatiker, die keine Hardware-Spezialisten waren. Auf mein Buch [11] erhielt ich beispielsweise eine Zuschrift: Ich bin kein Elektroniker und kann trotzdem alles verstehen. Eine erste Version der Sprache KARL, ein PASCAL-Dialekt, wurde um 1976 in Karlsruhe entwickelt [9] erschien in Kaiserslautern die nächste Version [8] [10] und bei North Holland das Buch dazu [11]. Während der 90er Jahre unter Förderung durch die EU im Rahmen des ESPRIT Programmes wurde mit KARL an Bord in den Projekten CVT (CAD for VLSI in Telecommunications) und CVS (CAD for VLSI Systems) das erste CAD framework der Welt entwickelt (Bild 3), lange bevor ein Amerikaner diesen Begriff prägte HDLs waren einst ein beliebtes Dissertations-Thema. Bereits um 1980 gab es mehrere Hundert Entwürfe von HDLs. Jedoch nur zwei davon umfaßten auch topologische Sprach-Elemente wie etwa zur Beschreibung des Grundriß (floorplan) eines Zellen-Verbund (in KARL beispielsweise durch abutment expressions [48]). Es handelt sich um die Sprachen µfp [52] und KARL [8] [10]. Unseres Wissens gab es weltweit nur 2 graphische HDLs. Die erste davon wurde von der University of Missouri at Rolla entwickelt. Dieses Projekt wurde nach wenigen Jahren wegen

5 Bild 4. a) ABL-Eingabe-Beispiel, b) Abutment verweigert wegen Port-Inkompatibiplität. Problemen mit der Software-Wartung aufgegeben. Eine weitere Sprache dieser Art war ABL [8], als editor ABLED implementiert und voll kompatibel zu KARL im CVT/CVS CAD framework (vgl. Bild 3). Bild 5 veranschaulicht den graphischen Syntax-Check durch einen Plazierungs- Versuch mit wiring by abutment, der wegen Port-Inkompatibilität verweigert wird. Während der 80er Jahre, einer Zeit da der kommerzielle Durchbruch der HDLs generell noch nicht erreicht war, war KARL mit 93 Standort.-Lizenzen [53] die erfolgreichste Sprache ihrer Zeit. Aber, wenn ein Gebiet allgemeiner Trend wird, so wird oft in Deutschland oder seitens der EU treffsicher gerade zu diesem Zeitpunkt die Förderung eingestellt. Nachdem ein erster Roh- Entwurf einer HDL namens VHDL bekannt wurde entschied die Kommission der EU am Rande des CAVE workshop um 1989 in Nizza, daß Arbeiten über HDLs nicht mehr gefördert würden, da es ja nun einen Standard gäbe. Dies stimmte nicht, denn der Standard kam erst 4 Jahre später. 3. Die erste Entwurfs-Krise Lange verkündeten Technologen: das Bißchen Design erledigen wir mit links. Jedoch die Designer-Produktivität hinkt hinter dem Technologie-Fortschritt Jahr für Jahr immer stärker hinterher, letztlich um Größenordnungen. Die Arbeitsteilung zwischen Halbleiter-Anwendern und -Herstellern verschob sich immer mehr (Bild 1). Die Aufspaltung der Entwickler- Mannschaften des Halbleiterherstellers durch Spezialisierung nach Abtraktionsebenen schuf zunehmende babylonische Verständigungs-Probleme und bürokratische Hürden (Bi l d2). Ab etwa 1975 wurde die Entwurfs-Krise ausgerufen, nicht nur auf Podiumsdiskussionen. Brauchbare Software gab es kaum. Eine der wenigen Ausnahmen war das Schaltkreis- und Device- Simulationsprogramm SPICE von der UC Berkeley. Informatik-Methoden für die Mikroelektronik Prof. Carver Mead vom Caltech fordert über die 70er Jahre hinweg, daß der Entwurf von der Technologie getrennt und eine eigene Disziplin werden müsse. Dies bedeutet die Einführung von Informatik-Methoden in großem Stil für die Entwurfsautomatisierung in der Mikroelektronik (EDA: electronic design automation). Professoren auf die Schulbank war die Devise. Die Mead-&-Conway-Bewegung organisierte dies, in den USA mit dem Rückenwind einer großzügigen Förderung durch das DoD. Ein sehr gut besuchter erster Kurs für Professoren war 1979 ein dreiwöchiger Workshop in Seattle. Es folgte 1981 ein jeweils 2-wöchiges NATO advanced study institute (ASI) in Louvain-la-Neuve (Belgien) [16] [17] und in Urbino (Italien). Teilnehmer waren Informatiker und Elektrotechniker. Die neue Religion Ein wichtiges Mittel für den Zusammenhalt dieser neuen Religion war [Prof. Anceau:] die silicon bible [54]. Dieses speziell für Nicht-Technologen und den tall thin man geschriebene Textbuch erschien 1980, war nach 4 Monaten vergriffen, wurde aber sofort nachgedruckt. Mit dem tall thin man wird die Wichtigkeit vernetzten Denkens angesprochen. Damit soll die Strangulierung des Entwurfs-Organisation durch babylonische Verständigungs- Probleme und bürokratische Hürden vermieden werden (Bild 2). An die Stelle vieler lokaler Frosch-Perspektiven tritt die Giraffen-Perspektive aus der System-Ebene und dabei mit den Beinen

6 Bild 5 Erstes Multiprojekt-Chip des E.I.S.-Projekt (Foto: GMD) auf dem Boden des Siliziums. Learning by doing ist eine wichtiges Rezept der Mead-&-Conway- Bewegung. Das Glaubensbekenntnis dieser neuen Religion ist zusammengefaßt in: [14] [15]. 3.1 Das E.I.S.-Projekt Während die Mead-&-Conway-Bewegung in den USA auf Hochtouren lief, passierte in Europa zuerst einmal nichts. In den verschiedenen Ländern gab es Lobbyisten, die immer wieder die zuständigen Ministerien kontaktierten: Prof. Anceau in Frankreich, Prof. Louis Lopez-Barrio in Spanien, Prof. Heetmann in den Niederlanden, und Prof. Hartenstein in der BRD. Jedes der kontaktierten Ministerien schaute nach einem Vorbild in den Nachbarländern: ein klassischer deadlock. In Deutschland nahmen die Lobby-Bemühungen etwa 3 Jahre in Anspruch [12]. Mit der Bundestagswahl in 1983 kam die große Wende, nicht wegen Helmut Kohl, sondern weil Dr. Riesenhuber Technologie-Minister wurde. Ich kannte Dr. Riesenhuber schon 15 Jahre

7 und schrieb ihm sofort einen Brief mit einem Vorschlag. Gleichzeitig schrieb Dr.Woelcken vom Stab der GMD an den zuständigen Referatsleiter, den er schon länger kannte - damit er auf Rückfragen Riesenhubers vorbereitet war. Nach wenigen Wochen wurden 35 Mio DM bewilligt, woraus das E.I.S.-Projekt entstand [13] mit einer zunehmenden Anzahl Universitäten der BRD, natürlich auch Kaiserslautern. E.I.S. steht für Entwurf Integrierter Schaltungen. Bild 5 zeigt den ersten Multiprojekt-Chip (MPC), der für das E.I.S.-Projekt gefertigt wurde. Da die ersten Entwürfe von Studenten einen geringen Flächenbedarf haben, werden zwecks Umlage der Kosten mehrere Designs auf dem gleichen Chip untergebracht, der dann MPC genannt wird. 3.2 Randerscheinungen Die Informatik hat viele Anwender-Disziplinen (Bindestrich- Informatiken und andere). Jedoch sind Elektrotechnik und Informatik ein Sonderfall: die Anwender-Beziehung ist wechselseitig, insbesondere auch in der Technischen Informatik Bild 6. Mechanisches AND-Gatter Umbenennung der NTG in ITG Die Elektrotechnik hatte in Deutschland gelegentlich den Hang zur Übertreibung bei der Etikettierung. Schwachstromtechnik klang wohl doch zu banal, weshalb man den Begriff Nachrichtentechnik einführte, obwohl es sich eigentlich nur um elektrische Signaltechnik handelte, denn das Signal hat keinerlei Ahnung über seinen Nachrichten-Inhalt. Mitte der 80er Jahre beschloß die NTG (Nachrichtentechnische Gesellschaft) noch einen weiteren Höhepunkt draufzusetzen durch ihre Umbenennung in ITG (Informationstechnische Gesellschaft). Dies wurde bekanntgegeben in einem Artikel noch relativ gemäßigten Tones in der damals noch NTZ. Der Artikel enthielt unter anderem quasi als Besitzanspruch eine Liste von Disziplinen, welche fast die gesamte Informatik umfaßte. In einem später erschienenen Newsletter für die Mitglieder wurden polemischere Töne laut wie etwa: die Boole sche Algebra käme aus der E-Technik und: Semaphore seien nicht von der Informatik, sondern von Napoleon erfunden worden. Schlichtung zwischen den FakultätentagenDa ich mich als Vertreter der Informatik fühle, wies ich in einem Schreiben an den Vorsitzenden des Fakultätentages der Informatik, Prof. Gunzenhäuser auf die neue Lage hin. Es kam zu Spannungen zwischen den Fakultätentagen. Es wurde ein Schlichtungsgremium gebildet mit je 3 Vertretern der beiden Fakultätentage für Elektrotechnik und der Informatik, und zwar den Professoren Brandenburg (Passau), Freise (Kaiserslautern), Görke (Karlsruhe), Hartenstein (Kaiserslautern), Kühn (Stuttgart), Schmidt (Aachen). Die Grundlagen der Informatik sind Technologie-unabhängig Ein wichtiges Argument von der Informatik-Seite wies darauf hin, daß Elektrizität zwar derzeit das effizienteste Medium der Datenverarbeitung ist, jedoch nicht das einzig mögliche. Das wußte man bereits vor ca. 100 Jahren (Zusammenfassung der ersten Hardware-Beschreibungs-Sprache - für mechanische Rechner: siehe Bild 6) Es gibt beispielsweise auch hydraulische, fluidische, pneumatische, optische und mechanische Logik (Bild 6). Placement und Routing Algorithmen dienen nicht nur dem Mikroelektronik-Entwurf, sondern auch der Synthese anderer Netze, wie beispielsweise mit Rohrleitungen. Auch Extraktoren gibt es nicht nur für das Layout integrierter Schaltungen (zur Extraktion von Transistornetzen oder Gatternetzen), sondern auch im Bauwesen (zur Extraktion Stab-Netzwerk für Festigkeitsberechnungen). Die Folge solcher Beispiele kann lange Zeit fortgesetzt werden. GI Reorganisation In dieser Angelegenheit schrieb ich einen Brief an den damaligen GI- Präsidenten Prof. Krückeberg. Ab dieser Zeit wurde ich von Prof. Krückeberg als Gast zu allen GI-Präsidiums-Sitzungen eingeladen. Letztlich beschloß das Präsidium eine Reorganisation der GI-Fachausschuß-Struktur, wobei zur Implementierung insbesondere die Umsicht von Prof.

8 Bild 7. Hardware-Beschreibunmgssprache für mechanische Rechner (Torres Y. Quevedo um 1900 Werner Grass aus Passau erwähnt werden muß. Die Technische Informatik war bei der GI nun nicht mehr das fünfte Rad am Wagen. Es kam auch zur Kooperation mit der ITG, wobei eine Reihe quasi gemeinsamer Fachausschüsse. 4. Morphware Um die Tautologie weiche Hardware zu vermeiden, wurde der Terminus Morphware eingeführt für rekonfigurierbare Plattformen. Wie ein Mikroprozessor, sind diese RAM-basiert programmierbar, jedoch strukturell und nicht prozedural. (RAM steht für random access memory.). Die Programme für Morphware nennen wir Configware. Bekanntlich programmiert Software ja Abläufe über der Zeit. Configware hingegen verändert Verdrahtungsmuster mittels besonderer Umschalttransistoren, was Programmierung, bzw. Rekonfiguration im Raum (oder auf der Fläche) bedeutet und nicht über der Zeit. 4.1 FPGAs: Logik-Entwurf auf einer seltsamen Plattform Gate Arrays vom Markt verdrängend sind FPGAs vom Nischenprodukt zum generellen Trend geworden. Noch werden FPGAs als Akzeleratoren eingesetzt, die mit einem Wirt oder host (von- Neumann-) Mikroprozessor oder Controller kooperieren. Nun ist die Programmierung beider Seiten RAM-basiert, die des Wirts-Rechners und die des Akzelerators. Der Vorteil der FPGAs ist die Flexibilität, die jederzeit, auch am Ort des Anwenders, eine Umprogrammierung für völlig andere Algorithmen erlaubt. Dies ist ein Weg der Vermeidung der mit dem Technologie-

9 Fortschritt stark steigenden Maskenkosten. Es wird kein spezifisches Silizium mehr benötigt, indem ein FPGA aus dem Katalog einsetzbar ist. Die Verfahren zur Abbildung einer Anwendung auf ein FPGA sind letztlich in der Logik-Ebene angesiedelt (vgl. nächsten Abschnitt). Von der Mead-&-Conway-Bewegung propagierter Strukturierter VLSI Entwurf [55] [11] lehrt Konzepte zur Skalierbarkeit von FPGA-basierten Systemen. Rekonfigurierbare Plattformen wie FPGAs erhalten so über strukturierten Configware-Entwurf die Chance, dem Configware-Markt zu einer ähnlichen Erfolgsgeschichte zu verhelfen, sie von der Software-Industrie bekannt ist. 4.2 Reconfigurable Computing Bereits in den 90er Jahren wuchs den FPGAs eine leistungsfähigere Konkurrenz heran: die grobkörnig rekonfigurierbaren Plattformen mit rdpus (rekonfigurierbaren Datapath Units), die beispielsweise 16, 24, oder 32 Bits breitsind und mit einem Operator-Repertoire das z. B. dem einer ALU ähnlich sein kann. Der Name Reconfigurable Computing (RC) ist also naheliegend. FPGAs hingegen verwenden nur ca. 1 Bit breite configurable logic blocks (CLBs), sodaß die Abbildung von Anwendungen auf diese in der Logik-Ebene stattfindet. rdpas (rdpu arrays) haben gegenüber FPGAs einen drastisch reduzierten Rekonfigurierbarkeits-Overhead. Bei sorgfältigem rdpu Layout erreichen rdpas eine um Größenordnungen bessere Flächen-Effizienz und eine deutlich reduzierte Verlustleistung. Anwendungen können beispielsweise von expression trees als hochparallele Pipe-Netzwerke direkt auf solche rdpas abgebildet werden [39] [56] [59]. Aber das von Neumann Paradigma unterstützt hier keine Datenpfade, da zur Laufzeit nur Datenströme, jedoch keine Befehlsströme verarbeitet werden ( instruction fetch findet nicht zur Laufzeit statt, sondern zur Ladezeit). Es wird als Modell für Programmierer ein neues Maschinen Paradigma benötigt (s. Abschnitt 5.3). 4.3 Configware Wie die Anwendung von Mikroprozessoren so ist auch die Programmierung rekonfigurierbarer Plattformen RAM-basiert, jedoch durch strukturelle Programmierung statt prozeduraler Programmierung. Jedoch bisher konnten rekonfigurierbare Plattformen mit ihrer beginnenden Configware-Industrie die RAM-basierte Erfolgsgeschichte der Software-Industrie noch nicht wiederholen, Ein neues Geschäftsmodell und ein neuartiger Entwurfs-Fluß ist notwendig Ein neues Geschäftsmodell Zur Einführung des neuen Geschäftsmodelles zwecks Behebung des Akzelerator-Entwurfskrise ist ein Wechsel von CAD-Verfahren zu Kompilations-Methoden nötig [56] [57] [58] [59], also von hardware/software co-design zu configware/software co-compilation. Nur auf diese Weise ist eine Rekonfiguration ohne die Verfügbarkeit von Hardware-Spezialisten möglich. 4.5 Randbedingungen Deutschland rutscht weiter ab [61] [51]. Prof. Warneke, sr. Zeit Präsident der Fraunhofer Gesellschaft: Wir müssen uns eingestehen, daß andere besser sind als wir! [67]. Deutschland in Jahre 2010: Über 10 Millionen Arbeitslose rebellieren gegen Arbeitsplatzbesitzer und Regierung... Arbeiten und Geldausgabe nur unter Polizeischutz., prophezeiht schon 1994 das Magazin FOCUS [62]. Es bestätigt sich wieder einmal: wenn ein Gebiet allgemeiner Trend wird, so wird oft in Deutschland oder seitens der EU treffsicher gerade zu diesem Zeitpunkt die Förderung eingestellt. In der letzten Runde hat die EU alles in Richtung Rekonfigurierbarkeit gehende abgelehnt, bis auf ein kleines Projekt. Ein Lichtblick: im Juni 2003 wurde das von Prof. Jürgen Teich (Erlangen) initiierte DFG Schwerpunktprogramm SPP 1148 Rekonfigurierbare Rechensysteme in Untertürkheim feierlich eröffnet [70], wobei ich als Ehrengast teilnehmen durfte. 5. Moderne Eingebettete Systeme Eingebettete Systeme, ein Terminus, zwei Bedeutungen: die praktische Informatik versteht darunter ganz etwas anderes als die Technische Informatik und Elektrotechnik. In der Praktischen

10 Informatik handelt es sich hier um eine rein prozedurale Denke bei Programmieren unter bestimmten Randbedingungen. In der Elektrotechnik und der Technischen Informatik schließt man Hardware/Software Partitionierung mit ein, wobei Teile von Anwendungen von Software nach Hardware migriert werden müssen und umgekehrt. Dies erfordert die gleichzeitige Kompetenz in zwei unterschiedlichen Domänen: sowohl prozedural als auch strukturell - also Kompetenz nicht nur über Computing in der Zeit, sondern in Raum und Zeit. Ich verwende den Begriff Eingebettete Systeme hier künftig in lezterem Sinne. Moderne eingebettete Systeme, wie beispielsweise das Software Radio umfassen heute auch eine Vielfalt rekonfigurierbarer Subsysteme. Heute wandelt der Entwurf eingebetteter Systeme den hardware / software co-design oft in hardware / configware / software co-design. Der momentane Übergang von HDLs zu Quellen höherer Abstraktionsebenen wie SystemC ermutigt zum Übergang von komplexen Entwurfs-Umgebungen zu Compiler Techniken, unterstützt durch ein einfaches Maschinen-Paradigma (s. Abschnitt 5.3). 5.1 Flowware In jüngerer Zeit ist der Begriff "datastream-based computing" bekannter geworden durch eine Reihe von Projekten, vor allem an der UC Berkeley und im LANR (Los Alamos National Research Center). Im Zentrum der Modelle stehen Datenströme anstelle von Befehlsströmen. Sprachliche Notationen zur Spezifizierung von Datenströmen nennen wir Flowware, um den grundlegenden Unterschied zur befehlsstrom-basierten Software zu betonen. Weitere Einzelheiten sind in folgenden Papieren zu finden: [24] [26] [26]. Die Definition von Datenströmen an sich wurden bereit vor mehr als 20 Jahren durch systolische Arrays eingeführt. 5.2 Verteilte Speichersysteme Gerade zur rechten Zeit ist das aktive neue Forschungsgebiet der Anwendungs-spezifischen Verteilten Speichersysteme entstanden [23] [27]. Dieses Gebiet und daraus entstandene Märkte für IP cores oder Speicher-Modul-Generatoren liefert uns die Architektur-Komponenten für Plattformen zur Implementierung von Flowware. 5.3 Das Anti Maschinen-Paradigma Aufgrund der oben geschilderten Entwicklungen is es naheliegend, dem Befehlsstrom-basierten von Neumann Maschinen Paradigma ein Datenstrom-basiertes Anti Maschinen Paradigma gegenüberzustellen. Das Modell ist beschrieben in: [22] [24] [25] [28]. Ältere Publikationen hierüber befinden sich in: [18] [19] [20] [21]. Da Programmierer mit Maschinen-Paradigmen recht gut zurecht kommen, erscheint eine Dualität zweier Maschinenparadigmen als ein Weg zur Lösung der kommenden Informatik-Krise (s. folgendes Kapitel). Alles notwendige Wissen für eine Kurrikulums-Reform ist bereits vorhanden und wurde in den vergangenen zwei Jahrzehnten veröffentlicht, wie oben teilweise im Detail angegeben wurde. Auch aktuellere Hinweise zur Datenstrom-basiertem Rechnen und Architektur-Komponenten für Anti-Maschinen wurden publiziert [69] [71] [72] [73] [74] [75] [76]. 6. Die kommende Informatik-Krise Dieses Kapitel zeigt auf, wie rekonfigurierbare Plattformen und deren Anwendungen grundlegende Paradigmenwechsel einführen, die mit dem traditionellen Background von Fachleuten der Elektrotechnik und Informatik kollidieren mit Gebieten wie Entwurfsautomatisierung, Entwurf eingebetteter Systeme, parallele Algorithmen, Compiler- Techniken, Computer Maschinen-Prinzipien und Architekturen, und anderen Gebieten. Die typische akademische Lehre der Informatik geht rasch einer Katastrophe entgegen, denn deren Absolventen werden nicht qualifiziert sein für die Anforderungen des Arbeitsmarktes der nachen Zukunft. Prognosen sagen, daß bis zum Jahre 2010 etwa 90% allen Programm Codes für Anwendungen in eingebetteten Systemen implementiert werden muß

11 Der praktisch rein prozedural denkende typische Informatiker ist bei den heutigen Randbedingungen meist nicht in der Lage, qualifizierte Entscheidungen für eingebetete Systeme zu treffen, wie etwa über die Aufteilung einer größeren Anwendung in Software, Configware, und Hardware - geschweige denn, die Implementierung durchzuführen oder zu leiten. Er ist auch nicht fähig zur Migration eines Algorithmus von der Software in die Hardware oder in die Configware. Andererseits ist es illusorisch anzunehmen, man könne aus einem Informatiker ohne weiteres einen Hardware-Experten oder einen Architektur-Experten machen. Eine praktikable Lösung ist nur über neue Lehrinhalte in höheren Abstraktions-Ebenen zu erreichen. Ein gangbarer Weg ist die Einführung eines zweiten Maschinen-Paradigma, quasi als Trojanisches Pferd, sowie die Ergänzung der Lehre über Algorithmen durch Einführung weiterer Formen der Parallelität. Weiter ist die Entwicklung besserer Übungen und Praktika notwendig, die den neuen Anforderungen Rechnung tragen. Software/Configware Co-Compiler gab es bereits [58]. Diese müssen reimplementiert werden. 7. Schlußfolgerungen Ohne eine geeignete Form der Kompetenz für echte eingebettete System produziert die akademische Lehre der Informatik an den Arbeitsmärkten der nahen Zukunft vorbei. Das Vordringen hoher Abstraktionsebenen um relativ rasch die dringend notwendige Kompetenz zu erlangen. Alle Zutaten für zeitgemäße Informatik-Kurrikula sind von neueren und älteren Veröffentlichungen verfügbar. Praktisch nichts muß erfunden werden. Nur die Vernetzung des Denkens sollte geübt werden. Für neuartige Praktika bestehen gute Chancen, geeignete Software- Anbieter zu Universitäts-Programmen zu ermuntern. Gelegentlich mag es nützlich sein, untergegangene, aber dokumentierte Software zu re-implementieren 8. Literatur [1] R. Hartenstein, G. Koch: The Universal Bus Considered Harmful; in: [2] [2] R. Hartenstein: R. Zaks: Microarchitecture of Computer Systems; North Holland Publ. Co./Am. Elsevier, 1975 [3] R. Hartenstein: Hierarchy of Interpreters for Modelling Complex Digital Systems; in: (Hrsg.: W. Brauer) 3. Jahrestagung der Ges. für Informatik in Hamburg, Okt. 1973, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, 1973 [4] R. Hartenstein: On the interpretive Mechanism in Microprogrammed Systems; EUROMICRO journal 2, Oct [5] R. Hartenstein: Konzepte der Mikroprogrammierung; in: (Hrsg.: H.-O. Leilich) Proc. GI/NTG-Fachtagung Struktur und Betrieb von Rechnersystemen, Braunschweig, März 1974, Springer-Verlag, 1974 [6] R. Hartenstein: Microprogramming Concepts - a step towards Structured Hardware Design; in: Preprints of the 7th Annual Workshop on Microprogramming, Palo Alto, Cal., Sept [7] Y. Chu, R. Hartenstein, et al.: Why do we need Hardware Description Languages; COMPUTER, Dec [8] R. Hartenstein: KARL and ABL; in (ed.: J. P. Mermet): Fundamentals and Standards in Hardware Description Languages; Kluwer Academic Publishers, Boston, 1993 [9] R. Hartenstein: KARL - The Karlsruhe Architectural and Register Transfer Language - A draft specification; Fakultät für Informatik, Universität Karlsruhe, 1974 [10] N. N.: The History of KARL and ABL; [11] R. Hartenstein: Fundamentals of Structured Hardware Design - A Design Language Approach at Register Level; North Holland, Amsterdam/New York 1977 [12] N. N.: Zur Geschichte des E.I.S.-Projekts; [13] R. Hartenstein: Ausbruch der EIS.-Zeit, Computer Magazin, März 1986 [14] R. Hartenstein: VLSI-Bausteine in geringen Stückzahlen für Spezialanwendungen; Elektronische Rechenanlagen 22 (1980), Heft 4 [15] R. Hartenstein: Die Neue Mikroelektronik in der Informatik: Voraussetzungen und Auswirkungen; GI- Jahrestagung, 1981 Kaiserslautern, Springer-Verlag, 1981 [16] R. Hartenstein: Shared Cultures: CIF Library, Starting Frames and Scalable Design Rules [17] [17] P. Jespers, C. Sequin, F. van de Wiele: Design Methodologies for VLSI Circuits; Proc. NATO-ASI Very Large Scale Integration, Louvain-la-Neuve 1981, Noordhoff & -Stijthoff, Rockville, Maryland, 1981 [18] R. Hartenstein, A. Hirschbiel, K. Schmidt, M. Weber: A Novel Paradigm of Parallel Computation and its Use to Implement Simple High Performance Hardware; Future Generation Computer Systems 7 91/92, p , North Holland Purlishing Co. Amsterdam / New York -- Invited reprint from Proc. InfoJapan'90- (Int'l Conf. memorating the 30th Anniversary of the Computer Society of Japan), Tokyo, Japan, 1990

12 [19] R. Hartenstein,.Hirschbiel, M. Riedmüller, K. Schmidt, M.Weber: A High Performance Machine Paradigm Based on Auto-Sequencing Data Memory; HICSS-24, Hawaii Int'l. Conference on System Sciences, Koloa, Hawaii, 1991 [20] R. Hartenstein, M. Riedmüller, K. Schmitt, M. Weber: A Novel Asic Design Approach Based on a New Machine Paradigm; IEEE Journal of Solid State Circuits, July Invited reprint of a paper from from Proc. ESSCIRC 1990, Geneva, Switzerland [21] R. Hartenstein, A.Hirschbiel, M. Riedmuller, K. Schmidt, M.Weber: Automatic Synthesis of Cheap Hardware Accelerators for Signal Processing and Image Preprocessing; 12th DAGM-Symposium Mustererkennung (Pattern Recognition), Oberkochen-Aalen, Germany, 1990 [22] R. Hartenstein (invited paper): Data-Stream-Based Computing: Models and Architectural Resources; International Conference on Microelectronics, Devices and Materials (MIDEM 2003), Ptuj, Slovenia, Oct.1-3, 2003 [23] R. Hartenstein (invited lecture): Distributed Memory and Datastream-based Reconfigurable Computing; Swedish INTELECT Summer School on "Multiprocessor Systems on Chip"; Örebro, Sweden, August 25-27, 2003 [24] R. Hartenstein (opening keynote presentation): A Mead-&-Conway-like Break-through is overdue; Dagstuhl Seminar Nº 03301, Dynamically Reconfigurable Architectures; Dagstuhl, Germany, , [25] R. Hartenstein (invited presentation): Reconfigurable Computing and its Impact; intel On Chip Reconfigurable Computing and Communication Workshop (intel ORCC workshop), Hillsboro, Oregon, USA, May 15-16, 2003 [26] R. Hartenstein (invited paper): Datastream-based Reconfigurable Computing; Dresdner Arbeitstagung Schaltungs- und Systementwurf (Workshop on Circuit and Systems Design - DASS 2003), [27] R. Hartenstein, Michael Herz, Miguel Miranda, Erik Brockmeyer, Francky Catthoor (invited presentation): Memory Organisation for Stream-based Reconfigurable Computing; 9th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems - ICECS 2002, September 15-18, 2002, Dubrovnik, Croatia [28] R. Hartenstein (invited keynote address): Reconfigurable Computing: urging a revision of basic CS curricula. The 15th International Conference on Systems Engineering - ICSENG02, Las Vegas, USA, 6-8 August, 2002 [29] R. Hartenstein: The Microprocessor is no more General Purpose: why Future Reconfigurable Platforms will win; Proceedings of the International Conference on Innovative Systems in Silicon, ISIS'97, Austin, Texas, USA, October 8-10, 1997 [30] R. Hartenstein (invited lectures): Reconfigurable Computing and its Enabling Technologies -- for the Personal Supercomputer (PS) to replace the PC; THALES internal workshop; September 18, 2003, Orsay, France [31] R. Hartenstein (invited lecture): Reconfigurable Computing and its Compilation Techniques; Swedish INTELECT Summer School on "Multiprocessor Systems on Chip"; Örebro, Sweden, August 25-27, 2003; [32] R. Hartenstein (invited lectures): Reconfigurable Computing and its Impact on SoC and beyond; REASON Summer School on FPGA-based and Reconfigurable Systems, University of Ljubljana, Ljubljana, Slovenia, August August [33] R. Hartenstein (invited opening keynote): Are we ready for the Breakthrough?; 10th Reconfigurable Architectures Workshop 2003 (RAW 2003), Nice, France, April 22, 2003 [34] R. Hartenstein (invitedfull day course): Enabling Technologies for Reconfigurable Computing and Software / Configware Co-Design; CNRS internal workshop, ENST, Paris, July 8, 2002 [35] R. Hartenstein (invited presentation): Reconfigurable Computing Architectures and Methodologies for Systemon-Chip; 3rd Workshop.on Enabling Technologies for System-on-Chip Development 2001, November 19-20, 2001, Tampere, Finland. [36] R. Hartenstein (invited full day Post Conference Tutorial): Enabling Technologies for Reconfigurable Computing; 3rd Workshop.on Enabling Technologies for System-on-Chip Development November 21, Tampere, Finland [37] R. Hartenstein (invited embedded tutorial): "Reconfigurable Computing: the Roadmap to a New Business Model - and its Impact on SoC Design"; SBCCI th Symposium on Integrated Circuits and Systems Design; Pirenopolis, DF, Brazil, September 10-15, 2001 [38] R. Hartenstein (invited embedded tutorial (keynote)): Reconfigurable Computing: a New Business Model - and its Impact on SoC Design; DSD' EUROMICRO SYMPOSIUM ON DIGITAL SYSTEM DESIGN: Architectures, Methods, and Tools, Warsaw, Poland, September 4-6, 2001 [39] R. Hartenstein (invited embedded tutorial): A Decade of Reconfigurable Computing: A Visionary Retrospective; DATE Design, Automation and Test in Europe, Conference & Exhibition, March, ICM/Neue Messe, Munich, Germany [40] R. Hartenstein (invited embedded tutoria): Coarse Grain Reconfigurable Architecture; ASP-DAC Asia and South Pacific Design Automation Conference 2001, January 30 - February 2, 2001, Conference Center, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan [41] R. Jacobi, M. Ayala-Rincon, C. Llanos, R. Hartenstein: Using Rewriting-Logic Representation for Functional Verification in Data-Stream-Based Reconfigurable Computing Forum on Specification and Design Languages (FDL'03), September 23-26, 2003 Frankfurt, Germany [42] M. Ayala-Rincón, R. B. Nogueira, R. P. Jacobi, and C. Llanos, R. Hartenstein: Modeling a Reconfigurable System for Computing the FFT in Place via Rewriting-Logic;.IEEE CS Press Proc. 16th Symposium on Integrated Circuits and System Design - SBCCI 03, Sã/o Paulo, Brasil, (Sep 8-11, 2003). [43] R. Hartenstein, R. P. Jacobi, M. Ayala-Rincón, C. Llanos: Using Rewriting-Logic Notation for Funcional Verification in Data-Stream Based Reconfigurable Computing; Forum on Specification and Design Languages - FDL 03, Frankfurt, Germany, (Sep 23-26, 2003). [44] M. Ayala-Rincón, R. Hartenstein, R. Maya Neto, R. P. Jacobi, and C. Llanos): Architectural Specification, Exploration and Simulation Through Rewriting-Logic; Colombian Journal of Computation, Vol 3(2):15 pages, 2003

13 [45] M. Ayala-Rincón, R. Maya Neto, R. P. Jacobi, C. Llanos, R. Hartenstein: Applying ELAN Strategies in Simulation Processors over Simple Architectures; (reprint from 2nd int'l Workshop on Reduction Strategies in Rewriting and Programming (WRS 2002); Copenhagen, Denmark, July 21, 2002) Electronic Notes in Theoretical Computer Science (ENTCS) 70/6; Elsevier Science Publishers [46] N.N.: Pressespiegel eines halben Jahrzehnts; interner Bericht, TU Kaiserslautern ##### (wann?) [47] R. Hartenstein: Null Bock auf High Tech; ITpress, 1996 [48] R. Hartenstein: Wozu noch Microchips?; ITpress, 1994 [49] R. Hartenstein: Karl Steinbuch; [50] K. Steinbuch: Falsch programmiert; DVA, 1967 [51] R. Hartenstein (eingeladener Vortrag); Neuere Entwicklungen der Technischen Informatik; Festkolloquium anläßlich des 60. Geburtstag: von Prof. Winfried Hahn; Passau, 1997 [52] Mary Sheeran: mufp, A Language for VLSI Design. LISP and Functional Programming 1984: [53] [54] C. Mead, L. Conway: Introduction to VLSI Systems Addison-Wesley, 1980 [55] Ph. C. Treleaven: VLSI Processor Architectures; Computer, June 1982 [56] Rainer Kress: A Fast Reconfigurable ALU for Xputers, Ph. D. Dissertation 1996, Univ. Kaiserslautern [57] Karin Schmidt: A Program Partitioning, Restructuring, and Mapping Method for Xputers, Ph. D. Dissertation 1994, Kaiserslautern University of Technology; Shaker Verlag, ISBN: X [58] Juergen Becker: A Partitioning Compiler for Computers with Xputer-based Accelerators, Ph. D. Dissertation 1997, Kaiserslautern University of Technology [59] Ulrich Nageldinger: Coarse-grained Reconfigurable Architectures Design Space Exploration; Dissertation, 2001, Kaiserslautern University of Technology [60] R. Hartenstein (invited presentation): Reconfigurable Computing: Taking Off to Overcome the Microprocessor; PARC forum, Palo Alto, CA, U.S.A., May 13, [61] R. Hartenstein: Deutschland rutscht weiter ab; [62] M. Kowalski, C. Pittscheidt: Arbeiten begint im Kopf; FOCUS 16/1994 [63] R. Hartenstein (invited paper): Data-Stream-based Computing and Morphware; Joint 33rd Speedup and 19th PARS Workshop (Speedup / PARS 2003), Basel, Switzerland, March 19-21, 2003 [64] C. Mead, L. Conway: Introduction to VLSI Systems; Addison-Wesley, 1980 [65] D. Cohen: MOSIS - User Interface for Silicon Foundries; in [68] [66] R. Hartenstein: Hardware/Software Co-Design; 3rd Int l Workshop on Field-programmable Logic and Applications, Oxford, Sept [67] H. J. Warnecke: Wir müssen uns eingestehen, daß andere besser sind als wir; (Interview) Computer Zeitung [68] R. Hartenstein, K. Woelcken: Proceedings of the European Conference on Customer / Vendor Interfaces in Microelectronics (EURO CVIM), Kaiserslautern 1986; GMD Schloß Birlinghoven, St. Augustin,1987 [69] J. Becker, R. Hartenstein (invited paper): Morphware and Configware and Morphware going Mainstream; Journal of Systems Architecture, 2003 [70] [71] R. Hartenstein (invited course): Reconfigurable Systems; November 13, 14, 21, 2002, CS Department, University of Brasilia, Brasil. [72] R. Hartenstein (invited keynote address): Disruptive Trends by Custom Compute Engines. The 12th International Conference on Field Programmable Logic and Application FPL 2002, September 2-4, 2002, La Grande-Motte (Montpellier, France) [73] R. Hartenstein (invited keynote address): Stream-based Computing - Antimatter of Informatics; First International Conf. on Intelligent Computing and Information Systems (ICICIS 2002), Cairo, Egypt, June 24-26, 2002 [74] R. Hartenstein (invited keynote address): Configware / Software Co-Design: Be Prepared For the Next Revolution! The 5th IEEE Workshop on Design & Diagnosis of Electronic Circuits & Systems (DDECS'02), Brno, Czech Republic, April 17-19, 2002 [75] R. Hartenstein (invited presentation:): Stream-based Arrays: Converging Design Flows for both, Reconfigurable and Hardwired... ; IFIP International Conference on Very Large Scale Integration (VLSI-SoC 2001), December 2-4, 2001, Montpellier, France [76] Michael Herz: High Performance Memory Communication Architectures for Coarse-grained Reconfigurable Computing Systems; Dissertation 2001, Kaiserslautern University of Technology

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