Reconfigurable Computing: Paradigmen-Wechsel erschüttern die Fundamente der Informatik Toward Reconfigurable Computing via Concussive Paradigm Shifts

Reiner Hartenstein1 (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, Ent-wicklung 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 requi-rements 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 Jahre1959 (durch die Universität Karlsruhe, wo ich später auch promoviert habe) habe ich zeitlebensfür die Informatik gearbeitet bzw. für deren Vorstufen (z. B. bei Prof. Steinbuch). Natürlich wurdeich ein Vertreter der Technischen Informatik. Im Spannungsfeld der Gruppen-Egoismen inDeutschland habe ich oft Partei ergriffen zu Gunsten der Informatik.Zeitlebens haben mich Paradigmen-Wechsel fasziniert, die auch eine Revolutionierung derKurrikula erforderten. Gelegentlich habe ich mich auch an Bemühungen zu deren Durchbruchbeteiligt, 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, http://hartenstein.de

und Term-Ersetzungs-Methoden zum strukturierten Hardware-Entwurf. [41] [42] [43] [44] [45]. Ofthabe ich versucht, ein Lobbyist zu sein, auch für die Technische Informatik [12] [46] [47] [48].

1.1 Gründerzeit der InformatikZum Wintersemester 1969 führte die Universität Karlsruhe Westdeutschlands erstenStudiengang für Informatik ein. Zwei Jahre davor war Prof. Karl Steinbuchs [49] monatelangSPIEGEL-notierter Bestseller “Falsch programmiert” erschienen [50], in welchem er vor der weitverbreiteten Technik-Ignoranz warnte, die bei uns als Kavaliersdelikt sogar angesehen sei. Wennwir 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 nochDirektor des SEL Informatik-Werks in Stuttgart war. SEL stimmte der Verwendung des Namenszu. Um 1960 wurden noch 80% der in der BRD eingesetzten Computer im Lande selbsthergestellt [47]. Lediglich 20% wurden importiert.Das fünfte Rad am Wagen Zwischen den Ziehvätern der Technischen, Praktischen, undTheoretischen Informatik herrschte von Anfang an ein Spannungsfeld. Jede der drei Gruppenversuchte, das Tischtuch in eine andere Richtung zu ziehen [51]. Ein Entrümpeln der Kurrikulawurde jahrzehntelang blockiert. Es gab nur wenige Universitäten, wie beispielsweise Karlsruheund Kaiserslautern, wo die Technische Informatik in den Studienordnungen sehr stark vertretenwar. 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 erreichte1975 ihren Höhepunkt im Umfang von 441 Millionen DM. Etwa diese Zeit markiert den eigentlichenBeginn des Computer-Zeitalters. 1973 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

Bild 1: Wandel der .Zuständigkeiten im Baustein-orientierten Hardware-Entwurf.

“keine Hardware-Förderung mehr”. Eine von Prof. Wolfgang Giloi in Dagstuhl organisierte und vonDutzenden von Professoren unterzeichnete Protestresolution erreichte praktisch nichts.

2. Höhere Sprachen im Vormarsch

Immer wieder hat die höhere Abstraktionsebene höherer Sprachen sich als Vorteil erwiesen gegenübertypischen Entwurfsverfahren der Hardware. Oft wurde hierdurch die Designer-Produktivität drastischverbessert. Eines der ältesten Beispiele ist der Ersatz des klassischen Entwurfes von Schaltwerkendurch die Mikroprogrammierung. Später kam die Einführung von Hardware-Sprachen (HDLs) alsErsatz 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 durchDerivate höherer Programmiersprachen wie beispielsweise SystemC.

2.1 MikroprogrammierungEin frühes Beispiel der Anwendung von Informatik-Methoden für den Hardware-Entwurf war dieMikroprogrammierung [3] [4] [5] [6]. Der ursprüngliche Entwurf der damals recht komplexenComputer-Steuerwerke mit Methoden des klassischen Schaltwerks-Entwurf erbrachte eine sehrschlechte Entwickler-Produktivität. Dieses Problem war sr. Zeit (etwa Ende der 60er Jahre) mit eine derUrsachen, daß der Entwicklungs-Zeitplan des mit vielen Vorschußlorbeeren bedachte AEG-Telefunken-Rechner TR-440 um fast 2 Jahre überschritten wurde. Die Architektur mikroprogrammierbarerSteuerwerke erlaubte den Ersatz des Schaltwerksentwurf durch eine Programmier-Tätigkeit. Üblichenhöheren Programmiersprachen nicht unähnliche höhere Mikroprogrammier-Sprachen sorgten fürerheblich besser lesbare Dokumentation und erlaubten eine inkrementelle Vorgehensweise. Erst RISC-Rechner mit sehr einfachen Steuerwerken und das Aufkommen implementierter Schaltwerks-Entwurfs-

Bild 2: Arbeitsteilung; mittlere Spalte:bei Herstellern von Katalogschaltungen,

rechte Spalte: neue Mikroelektronik.

Umgebungen mit gut lesbaren höheren Eingabesprachen machten mikroprogrammierbare Architekturennach etwa einem Jahrzehnt wieder überflüssig.2.1.1 Nested Machines

Eine inzwischen wieder in Vergessenheit geratene Form der Parallelität sind verschachtelte Maschinen(nested machines), ein Nebenprodukt der Mikroprogrammierung [1] [3]. Hierbei erhält jedeUnterprogramm-Ebene jeweils eine innere Maschine als eigene Ressource. Gegenüber klassischerUnterprogramm-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 anderenhöheren Programmiersprachen, brachte eine Reihe von Vorteilen [7]: Maschinenlesbarkeit unddamit Kompilierbarkeit, Simulierbarkeit sowie auch eine relativ gute Lesbarkeit durchInformatiker, die keine Hardware-Spezialisten waren. Auf mein Buch [11] erhielt ichbeispielsweise eine Zuschrift: “Ich bin kein Elektroniker und kann trotzdem alles verstehen”. Eine erste Version der Sprache KARL, ein PASCAL-Dialekt, wurde um 1976 in Karlsruheentwickelt [9]. 1977 erschien in Kaiserslautern die nächste Version [8] [10] und bei North Hollanddas Buch dazu [11]. Während der 90er Jahre unter Förderung durch die EU im Rahmen desESPRIT Programmes wurde mit KARL an Bord in den Projekten CVT (CAD for VLSI inTelecommunications) und CVS (CAD for VLSI Systems) das erste CAD framework der Weltentwickelt (Bild 3), lange bevor ein Amerikaner diesen Begriff prägteHDLs waren einst ein beliebtes Dissertations-Thema. Bereits um 1980 gab es mehrere HundertEntwürfe von HDLs. Jedoch nur zwei davon umfaßten auch topologische Sprach-Elemente wieetwa zur Beschreibung des Grundriß (floorplan) eines Zellen-Verbund (in KARL beispielsweisedurch 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 derUniversity of Missouri at Rolla entwickelt. Dieses Projekt wurde nach wenigen Jahren wegen

Bild 3 CAD framework des CVT-Projekt

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 nochnicht erreicht war, war KARL mit 93 Standort.-Lizenzen [53] die erfolgreichste Sprache ihrerZeit. Aber, wenn ein Gebiet allgemeiner Trend wird, so wird oft in Deutschland oder seitens derEU 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 Randedes CAVE workshop um 1989 in Nizza, daß Arbeiten über HDLs nicht mehr gefördert würden, daes 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 dieDesigner-Produktivität hinkt hinter dem Technologie-Fortschritt Jahr für Jahr immer stärkerhinterher, letztlich um Größenordnungen. Die Arbeitsteilung zwischen Halbleiter-Anwendernund -Herstellern verschob sich immer mehr (Bild 1). Die Aufspaltung der Entwickler-Mannschaften des Halbleiterherstellers durch Spezialisierung nach Abtraktionsebenen schufzunehmende babylonische Verständigungs-Probleme und bürokratische Hürden (Bi l d2). Ab etwa1975 wurde die “Entwurfs-Krise” ausgerufen, nicht nur auf Podiumsdiskussionen. BrauchbareSoftware 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 überdie 70er Jahre hinweg, daß der Entwurf von der Technologie getrennt und eine eigene Disziplinwerden müsse. Dies bedeutet die Einführung von Informatik-Methoden in großem Stil für dieEntwurfsautomatisierung in der Mikroelektronik (EDA: electronic design automation).“Professoren auf die Schulbank” war die Devise. Die Mead-&-Conway-Bewegung organisiertedies, in den USA mit dem Rückenwind einer großzügigen Förderung durch das DoD. Ein sehr gutbesuchter erster Kurs für Professoren war 1979 ein dreiwöchiger Workshop in Seattle. Es folgte1981 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 sofortnachgedruckt. 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 lokalerFrosch-Perspektiven tritt die Giraffen-Perspektive aus der System-Ebene und dabei mit den Beinen

Bild 4. a) ABL-Eingabe-Beispiel, b) Abutment verweigert wegen Port-Inkompatibiplität.

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.-ProjektWährend die Mead-&-Conway-Bewegung in den USA auf Hochtouren lief, passierte in Europazuerst einmal nichts. In den verschiedenen Ländern gab es Lobbyisten, die immer wieder diezuständigen Ministerien kontaktierten: Prof. Anceau in Frankreich, Prof. Louis Lopez-Barrio inSpanien, Prof. Heetmann in den Niederlanden, und Prof. Hartenstein in der BRD. Jedes derkontaktierten 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, sondernweil Dr. Riesenhuber Technologie-Minister wurde. Ich kannte Dr. Riesenhuber schon 15 Jahre

Bild 5 Erstes Multiprojekt-Chip des E.I.S.-Projekt (Foto: GMD)

und schrieb ihm sofort einen Brief mit einem Vorschlag. Gleichzeitig schrieb Dr.Woelcken vomStab der GMD an den zuständigen Referatsleiter, den er schon länger kannte - damit er aufRückfragen 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 einengeringen Flächenbedarf haben, werden zwecks Umlage der Kosten mehrere Designs auf demgleichen Chip untergebracht, der dann MPC genannt wird.

3.2 RanderscheinungenDie Informatik hat viele Anwender-Disziplinen (Bindestrich-Informatiken und andere). Jedoch sind Elektrotechnik und Informatikein Sonderfall: die Anwender-Beziehung ist wechselseitig,insbesondere auch in der Technischen Informatik

Umbenennung der NTG in ITG Die Elektrotechnik hatte inDeutschland gelegentlich den Hang zur Übertreibung bei derEtikettierung. Schwachstromtechnik klang wohl doch zu banal,weshalb man den Begriff Nachrichtentechnik einführte, obwohl es sicheigentlich nur um elektrische Signaltechnik handelte, denn das Signalhat keinerlei Ahnung über seinen Nachrichten-Inhalt. Mitte der 80erJahre beschloß die NTG (Nachrichtentechnische Gesellschaft) nocheinen weiteren Höhepunkt draufzusetzen durch ihre Umbenennung inITG (Informationstechnische Gesellschaft). Dies wurdebekanntgegeben in einem Artikel noch relativ gemäßigten Tones in derdamals noch NTZ. Der Artikel enthielt unter anderem quasi alsBesitzanspruch eine Liste von Disziplinen, welche fast die gesamteInformatik umfaßte. In einem später erschienenen Newsletter für dieMitglieder wurden polemischere Töne laut wie etwa: “die Boole’scheAlgebra käme aus der E-Technik” und: “Semaphore seien nicht vonder Informatik, sondern von Napoleon erfunden worden.”Schlichtung zwischen den FakultätentagenDa ich mich als Vertreterder Informatik fühle, wies ich in einem Schreiben an den Vorsitzenden

des Fakultätentages der Informatik, Prof. Gunzenhäuser auf die neue Lage hin. Es kam zuSpannungen zwischen den Fakultätentagen. Es wurde ein Schlichtungsgremium gebildet mit je 3Vertretern der beiden Fakultätentage für Elektrotechnik und der Informatik, und zwar denProfessoren Brandenburg (Passau), Freise (Kaiserslautern), Görke (Karlsruhe), Hartenstein(Kaiserslautern), Kühn (Stuttgart), Schmidt (Aachen).

Die Grundlagen der Informatik sind Technologie-unabhängig Ein wichtiges Argument von derInformatik-Seite wies darauf hin, daß Elektrizität zwar derzeit das effizienteste Medium derDatenverarbeitung ist, jedoch nicht das einzig mögliche. Das wußte man bereits vor ca. 100 Jahren(Zusammenfassung der ersten Hardware-Beschreibungs-Sprache - für mechanische Rechner: sieheBild 6) Es gibt beispielsweise auch hydraulische, fluidische, pneumatische, optische und mechanischeLogik (Bild 6). Placement und Routing Algorithmen dienen nicht nur dem Mikroelektronik-Entwurf,sondern auch der Synthese anderer Netze, wie beispielsweise mit Rohrleitungen. Auch Extraktorengibt es nicht nur für das Layout integrierter Schaltungen (zur Extraktion von Transistornetzen oderGatternetzen), sondern auch im Bauwesen (zur Extraktion Stab-Netzwerk fürFestigkeitsberechnungen). 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 allenGI-Präsidiums-Sitzungen eingeladen. Letztlich beschloß das Präsidium eine Reorganisation derGI-Fachausschuß-Struktur, wobei zur Implementierung insbesondere die Umsicht von Prof.

Bild 6. Mechanisches AND-Gatter

Werner Grass aus Passau erwähnt werden muß. Die Technische Informatik war bei der GI nunnicht mehr das fünfte Rad am Wagen. Es kam auch zur Kooperation mit der ITG, wobei eineReihe 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-basiertprogrammierbar, jedoch strukturell und nicht prozedural. (RAM steht für random accessmemory.). Die Programme für Morphware nennen wir Configware. Bekanntlich programmiertSoftware ja Abläufe über der Zeit. Configware hingegen verändert Verdrahtungsmuster mittelsbesonderer Umschalttransistoren, was Programmierung, bzw. “Rekonfiguration” im Raum (oderauf der Fläche) bedeutet und nicht über der Zeit.

4.1 FPGAs: Logik-Entwurf auf einer seltsamen PlattformGate Arrays vom Markt verdrängend sind FPGAs vom Nischenprodukt zum generellen Trendgeworden. Noch werden FPGAs als Akzeleratoren eingesetzt, die mit einem Wirt oder host (von-Neumann-) Mikroprozessor oder Controller kooperieren. Nun ist die Programmierung beiderSeiten RAM-basiert, die des Wirts-Rechners und die des Akzelerators. Der Vorteil der FPGAs istdie Flexibilität, die jederzeit, auch am Ort des Anwenders, eine Umprogrammierung für völligandere Algorithmen erlaubt. Dies ist ein Weg der Vermeidung der mit dem Technologie-

Bild 7. Hardware-Beschreibunmgssprache für mechanische Rechner (Torres Y. Quevedo um 1900

Fortschritt stark steigenden Maskenkosten. Es wird kein spezifisches Silizium mehr benötigt,indem ein FPGA aus dem Katalog einsetzbar ist. Die Verfahren zur Abbildung einer Anwendungauf ein FPGA sind letztlich in der Logik-Ebene angesiedelt (vgl. nächsten Abschnitt).Von der Mead-&-Conway-Bewegung propagierter “Strukturierter VLSI Entwurf” [55] [11] lehrtKonzepte zur Skalierbarkeit von FPGA-basierten Systemen. Rekonfigurierbare Plattformen wieFPGAs erhalten so über “strukturierten Configware-Entwurf” die Chance, dem Configware-Markt zueiner ähnlichen Erfolgsgeschichte zu verhelfen, sie von der Software-Industrie bekannt ist.

4.2 Reconfigurable ComputingBereits in den 90er Jahren wuchs den FPGAs eine leistungsfähigere Konkurrenz heran: diegrobkörnig rekonfigurierbaren Plattformen mit rDPUs (rekonfigurierbaren Datapath Units), diebeispielsweise 16, 24, oder 32 Bits breitsind und mit einem Operator-Repertoire das z. B. demeiner 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 dieAbbildung von Anwendungen auf diese in der Logik-Ebene stattfindet. rDPAs (rDPU arrays)haben gegenüber FPGAs einen drastisch reduzierten Rekonfigurierbarkeits-Overhead. Beisorgfältigem rDPU Layout erreichen rDPAs eine um Größenordnungen bessere Flächen-Effizienzund eine deutlich reduzierte Verlustleistung. Anwendungen können beispielsweise von expression trees als hochparallele Pipe-Netzwerkedirekt auf solche rDPAs abgebildet werden [39] [56] [59]. Aber das von Neumann Paradigmaunterstützt hier keine Datenpfade, da zur Laufzeit nur Datenströme, jedoch keine Befehlsströmeverarbeitet werden (“instruction fetch” findet nicht zur Laufzeit statt, sondern zur Ladezeit). Eswird als Modell für Programmierer ein neues Maschinen Paradigma benötigt (s. Abschnitt 5.3).

4.3 ConfigwareWie die Anwendung von Mikroprozessoren so ist auch die Programmierung rekonfigurierbarerPlattformen RAM-basiert, jedoch durch strukturelle Programmierung statt prozeduralerProgrammierung. Jedoch bisher konnten rekonfigurierbare Plattformen mit ihrer beginnendenConfigware-Industrie die RAM-basierte Erfolgsgeschichte der Software-Industrie noch nichtwiederholen, Ein neues Geschäftsmodell und ein neuartiger Entwurfs-Fluß ist notwendig...

4.4 Ein neues GeschäftsmodellZur Einführung des neuen Geschäftsmodelles zwecks Behebung des Akzelerator-Entwurfskriseist ein Wechsel von CAD-Verfahren zu Kompilations-Methoden nötig [56] [57] [58] [59], alsovon hardware/software co-design zu configware/software co-compilation. Nur auf diese Weise isteine Rekonfiguration ohne die Verfügbarkeit von Hardware-Spezialisten möglich.

4.5 RandbedingungenDeutschland 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: “Über10 Millionen Arbeitslose rebellieren gegen Arbeitsplatzbesitzer und Regierung..... Arbeiten undGeldausgabe nur unter Polizeischutz.”, prophezeiht schon 1994 das Magazin FOCUS [62]. Es bestätigtsich wieder einmal: wenn ein Gebiet allgemeiner Trend wird, so wird oft in Deutschland oder seitensder EU treffsicher gerade zu diesem Zeitpunkt die Förderung eingestellt. In der letzten Runde hat dieEU alles in Richtung Rekonfigurierbarkeit gehende abgelehnt, bis auf ein kleines Projekt. EinLichtblick: im Juni 2003 wurde das von Prof. Jürgen Teich (Erlangen) initiierte DFGSchwerpunktprogramm SPP 1148 “Rekonfigurierbare Rechensysteme” in Untertürkheim feierlicheröffnet [70], wobei ich als Ehrengast teilnehmen durfte.

5. Moderne Eingebettete Systeme

Eingebettete Systeme, ein Terminus, zwei Bedeutungen: die praktische Informatik verstehtdarunter ganz etwas anderes als die Technische Informatik und Elektrotechnik. In der Praktischen

Informatik handelt es sich hier um eine rein prozedurale Denke bei Programmieren unterbestimmten Randbedingungen. In der Elektrotechnik und der Technischen Informatik schließtman Hardware/Software Partitionierung mit ein, wobei Teile von Anwendungen von Softwarenach Hardware migriert werden müssen und umgekehrt. Dies erfordert die gleichzeitigeKompetenz in zwei unterschiedlichen Domänen: sowohl prozedural als auch strukturell - alsoKompetenz nicht nur über Computing in der Zeit, sondern in Raum und Zeit. Ich verwende denBegriff Eingebettete Systeme hier künftig in lezterem Sinne. Moderne eingebettete Systeme, wie beispielsweise das ”Software Radio” umfassen heute aucheine Vielfalt rekonfigurierbarer Subsysteme. Heute wandelt der Entwurf eingebetteter Systemeden hardware / software co-design oft in hardware / configware / software co-design. Dermomentane Übergang von HDLs zu Quellen höherer Abstraktionsebenen wie SystemC ermutigtzum Übergang von komplexen Entwurfs-Umgebungen zu Compiler Techniken, unterstützt durchein einfaches Maschinen-Paradigma (s. Abschnitt 5.3).

5.1 FlowwareIn jüngerer Zeit ist der Begriff "datastream-based computing" bekannter geworden durch eineReihe von Projekten, vor allem an der UC Berkeley und im LANR (Los Alamos NationalResearch Center). Im Zentrum der Modelle stehen Datenströme anstelle von Befehlsströmen.Sprachliche Notationen zur Spezifizierung von Datenströmen nennen wir “Flowware”, um dengrundlegenden Unterschied zur befehlsstrom-basierten “Software” zu betonen. WeitereEinzelheiten sind in folgenden Papieren zu finden: [24] [26] [26]. Die Definition vonDatenströmen an sich wurden bereit vor mehr als 20 Jahren durch systolische Arrays eingeführt.

5.2 Verteilte SpeichersystemeGerade zur rechten Zeit ist das aktive neue Forschungsgebiet der Anwendungs-spezifischenVerteilten Speichersysteme entstanden [23] [27]. Dieses Gebiet und daraus entstandene Märktefür IP cores oder Speicher-Modul-Generatoren liefert uns die Architektur-Komponenten fürPlattformen zur Implementierung von Flowware.

5.3 Das Anti Maschinen-ParadigmaAufgrund der oben geschilderten Entwicklungen is es naheliegend, dem Befehlsstrom-basiertenvon Neumann Maschinen Paradigma ein Datenstrom-basiertes Anti Maschinen Paradigmagegenüberzustellen. Das Modell ist beschrieben in: [22] [24] [25] [28]. Ältere Publikationenhierüber befinden sich in: [18] [19] [20] [21]. Da Programmierer mit Maschinen-Paradigmenrecht gut zurecht kommen, erscheint eine Dualität zweier Maschinenparadigmen als ein Weg zurLösung der kommenden Informatik-Krise (s. folgendes Kapitel).Alles notwendige Wissen für eine Kurrikulums-Reform ist bereits vorhanden und wurde in denvergangenen zwei Jahrzehnten veröffentlicht, wie oben teilweise im Detail angegeben wurde.Auch aktuellere Hinweise zur Datenstrom-basiertem Rechnen und Architektur-Komponenten fürAnti-Maschinen wurden publiziert [69] [71] [72] [73] [74] [75] [76].

6. Die kommende Informatik-Krise

Dieses Kapitel zeigt auf, wie rekonfigurierbare Plattformen und deren Anwendungengrundlegende Paradigmenwechsel einführen, die mit dem traditionellen Background vonFachleuten der Elektrotechnik und Informatik kollidieren mit Gebieten wieEntwurfsautomatisierung, Entwurf eingebetteter Systeme, parallele Algorithmen, Compiler-Techniken, Computer Maschinen-Prinzipien und Architekturen, und anderen Gebieten. Dietypische akademische Lehre der Informatik geht rasch einer Katastrophe entgegen, denn derenAbsolventen werden nicht qualifiziert sein für die Anforderungen des Arbeitsmarktes der nachenZukunft. Prognosen sagen, daß bis zum Jahre 2010 etwa 90% allen “Programm” Codes fürAnwendungen in eingebetteten Systemen implementiert werden muß

Der praktisch rein prozedural denkende typische Informatiker ist bei den heutigenRandbedingungen meist nicht in der Lage, qualifizierte Entscheidungen für eingebetete Systemezu treffen, wie etwa über die Aufteilung einer größeren Anwendung in Software, Configware, undHardware - geschweige denn, die Implementierung durchzuführen oder zu leiten. Er ist auch nichtfähig 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 weitereseinen Hardware-Experten oder einen Architektur-Experten machen. Eine praktikable Lösung istnur über neue Lehrinhalte in höheren Abstraktions-Ebenen zu erreichen. Ein gangbarer Weg istdie Einführung eines zweiten Maschinen-Paradigma, quasi als Trojanisches Pferd, sowie dieErgänzung der Lehre über Algorithmen durch Einführung weiterer Formen der Parallelität. Weiterist die Entwicklung besserer Übungen und Praktika notwendig, die den neuen AnforderungenRechnung tragen. Software/Configware Co-Compiler gab es bereits [58]. Diese müssen re-implementiert werden.

7. Schlußfolgerungen

Ohne eine geeignete Form der Kompetenz für echte eingebettete System produziert dieakademische Lehre der Informatik an den Arbeitsmärkten der nahen Zukunft vorbei. DasVordringen hoher Abstraktionsebenen um relativ rasch die dringend notwendige Kompetenz zuerlangen. Alle Zutaten für zeitgemäße Informatik-Kurrikula sind von neueren und älterenVeröffentlichungen verfügbar. Praktisch nichts muß erfunden werden. Nur die Vernetzung desDenkens 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. 1974[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. 1974[7] Y. Chu, R. Hartenstein, et al.: Why do we need Hardware Description Languages; COMPUTER, Dec. 1974[8] R. Hartenstein: KARL and ABL; in (ed.: J. P. Mermet): Fundamentals and Standards in Hardware Description

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Fakultät für Informatik, Universität Karlsruhe, 1974[10] N. N.: The History of KARL and ABL; http://helios.informatik.uni-kl.de/staff/hartenstein/karlHistory.html[11] R. Hartenstein: Fundamentals of Structured Hardware Design - A Design Language Approach at Register

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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. 181-198,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

[19] R. Hartenstein, .Hirschbiel, M. Riedmüller, K. Schmidt, M.Weber: A High Performance Machine Paradigm Basedon 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 NewMachine Paradigm; IEEE Journal of Solid State Circuits, July 1991 -- Invited reprint of a paper from fromProc. ESSCIRC 1990, Geneva, Switzerland

[21] R. Hartenstein, A.Hirschbiel, M. Riedmuller, K. Schmidt, M.Weber: Automatic Synthesis of Cheap HardwareAccelerators 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; InternationalConference 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; SwedishINTELECT 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; DagstuhlSeminar Nº 03301, Dynamically Reconfigurable Architectures; Dagstuhl, Germany, 20. 07.-25. 07. 2003,

[25] R. Hartenstein (invited presentation): Reconfigurable Computing and its Impact; intel On Chip ReconfigurableComputing and Communication Workshop (intel ORCC workshop), Hillsboro, Oregon, USA, May 15-16, 2003

[26] R. Hartenstein (invited paper): Datastream-based Reconfigurable Computing; Dresdner ArbeitstagungSchaltungs- 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 onElectronics, 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 willwin; 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 PersonalSupercomputer (PS) to replace the PC; THALES internal workshop; September 18, 2003, Orsay, France

[31] R. Hartenstein (invited lecture): Reconfigurable Computing and its Compilation Techniques; SwedishINTELECT 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; REASONSummer School on FPGA-based and Reconfigurable Systems, University of Ljubljana, Ljubljana, Slovenia,August 11-15 August 2003.

[33] R. Hartenstein (invited opening keynote): Are we ready for the Breakthrough ?; 10th ReconfigurableArchitectures 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 System-on-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 ReconfigurableComputing; 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 BusinessModel - and its Impact on SoC Design"; SBCCI 2001 - 14th Symposium on Integrated Circuits and SystemsDesign; Pirenopolis, DF, Brazil, September 10-15, 2001

[38] R. Hartenstein (invited embedded tutorial (keynote)): Reconfigurable Computing: a New Business Model - andits Impact on SoC Design; DSD'2001 - 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 VisionaryRetrospective; DATE 2001 - Design, Automation and Test in Europe, Conference & Exhibition, 13-16 March,2001. ICM/Neue Messe, Munich, Germany

[40] R. Hartenstein (invited embedded tutoria): Coarse Grain Reconfigurable Architecture; ASP-DAC 2001 - Asiaand 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 FunctionalVerification 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 ReconfigurableSystem for Computing the FFT in Place via Rewriting-Logic; .IEEE CS Press Proc. 16th Symposium onIntegrated 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 FuncionalVerification 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

[45] M. Ayala-Rincón, R. Maya Neto, R. P. Jacobi, C. Llanos, R. Hartenstein: Applying ELAN Strategies inSimulation Processors over Simple Architectures; (reprint from 2nd int'l Workshop on Reduction Strategies inRewriting and Programming (WRS 2002); Copenhagen, Denmark, July 21, 2002) Electronic Notes inTheoretical 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; http://helios.informatik.uni-kl.de/hi-tech/steinbuk.htm[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: 104-112[53] http://helios.informatik.uni-kl.de/staff/hartenstein/KARLUsers.html[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: 3-8265-0495-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, 1999 http://murl.microsoft.com/LectureDetails.asp?569[61] R. Hartenstein: Deutschland rutscht weiter ab; http://helios.informatik.uni-kl.de/hi-tech/hitecde.htm[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. 1993[67] H. J. Warnecke: Wir müssen uns eingestehen, daß andere besser sind als wir; (Interview) Computer Zeitung 37 1993[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] http://www12.informatik.uni-erlangen.de/spprr/colloquium01.php[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, LaGrande-Motte (Montpellier, France)

[73] R. Hartenstein (invited keynote address): Stream-based Computing - Antimatter of Informatics; First InternationalConf. 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 NextRevolution! 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-SoC2001), December 2- 4, 2001, Montpellier, France

[76] Michael Herz: High Performance Memory Communication Architectures for Coarse-grained ReconfigurableComputing Systems; Dissertation 2001, Kaiserslautern University of Technology