TECHNISCHE INFORMATIK · TI = Schlüssel für „Ubiquitous Computing“ Embedded Systems...

TECHNISCHE INFORMATIK

Studieren und Forschen an der TU-Wien

http://ti.tuwien.ac.at/teaching/beginnersday.pdf

1

und jetzt …

Technische Informatik einst…

TI

inside …

2 Technische Informatik: Studieren und

Forschen an der TU-Wien

Cyber- physical Systems

Real-Time

Systems

Fault-

Tolerant

Systems

HW/SW

Codesign

Systems -on

Chip

Distributed Systems

Parallel

Computing

http://inf.ntb.ch/infoportal/help/topic/ch.ntb.infoportal/resources/embeddedSystems/mc68332/images/MC68332.jpg

TI = Schlüssel für „Ubiquitous Computing“

Embedded Systems

(Wireless)

Communications

Hardware/Software-

Architekturen

Natürliche Interfaces

Sensorik, Aktuatorik

Telekommunikation

Gebäude- und

Heimautomation

Autos, Flugzeuge

Industrieautomation

Medizintechnik

u.v.a.m.

Technische Informatik: Studieren und

Forschen an der TU-Wien 3

Berufsfelder

VLSI Design

HW-nahe SW-Entwicklung

(Microcontroller, DSP,

Multicore)

Applications Engineering

Cyber-Physical/Embedded

Systems Engineering



Beispiel: Automobilindustrie

Engine Control

ABS & Airbag Control

Electronic steering wheel

Infotainment

Collision avoidance

Verkehrstelematik



Beispiele österreichischer Firmen (1)

AVL (Graz): Verbrennungsmotoren, Testbeds und Meßequipment, Simulation, ...

RUAG Space (Wien): Elektronik, Signalverarbeitung & Kommunikation für Satelliten

Bosch (Wien): Einspritztechnik, ABS, Fahrer-Informationssysteme, ...

Elektrobit (Wien): Zuverlässige Computersysteme mit Fokus auf „by-wire“ Applikationen im Auto

Frequentis (Wien): Kommunikationssysteme für Flugsicherung, Rettung, Feuerwehr, Schifffahrt, ...



Beispiele österreichischer Firmen (2)

Infineon (Wien, Klagenfurt): Chip-Technologie

Keba (Linz): Roboter-Handhabungsgeräte, SB-Banking, Lotterieterminals, ...

Magna (Graz): Fahrzeugtechnik

ABB (Wien): SCADA Systems, Verkehrstechnik, …

Siemens (Wien): Telekommunikation, Automatisierungs-technik, Medizintechnik, Verkehrstechnik, ...

TTTech (Wien): Zeitgesteuerte Echtzeittechnologie

Thales (Wien): Eisenbahnsteuerungen, Stellwerke



Theoretisch Experimentell

Technologisch

Feldebene

Automationsebene

Managementebene

M M

Brandmelde-

technik

Heizkessel

Raum-

automation

Kälte-

maschinen

Wartung

Instand-

haltung

Fax, E-Mail

Host-

Rechner

Aufzüge,

Roll-

treppen,

etc.

Facility

Management

Heiz-

tagebuch

Pager-SMS/Dienste

Zutritts-

kontrolle

Gebäudeautomation„alte“ GLT

Einbruch-

meldetechnik

TI

TI Forschung

SRDS'03 Ulrich Schmid3

Round K Perception Matrix

V (t)

t

V (t1)

asymm.

symm.

omission

correct

t1

V (t1 + )t1 +

proc 2’s perceptio

n

of 1’s

broadcast data V 1

+ at most

additional f l

r (f lra )

receive link fa

ilures/r

ow

+ at most

additional f l

s (f lsa )

send link fa

ilures/c

olumnproc 1’s

view



http://www.obd.dk/files/obd_pictures/avrcompiled.JPG

http://www.wildopensource.com/images/centers/formsofLinux.png

http://www1.istockphoto.com/file_thumbview_approve/2374652/2/istockphoto_2374652_mathematics.jpg

TI Forschungsfelder

Technologische Forschung

• Ergebnis: Primär technologische Innovation

• Chips, Systemarchitekturen, Anwendungen, ...

• Methodik: Primär experimentell

Wissenschaftliche Forschung

• Ergebnis: Primär Erweiterung des Wissens

• Voraussetzung für technologische Innovation !

• Modelle, Algorithmen, Protokolle, ...

• Methodik: Primär theoretisch (formal-mathematisch)



TI Forschung an der TU-Wien



• Fakultät für Informatik

– Institut für Technische Informatik (E191)

• Cyber-Physical Systems Research Division Bartocci, Grosu, Puschner

• Embedded Computing Systems Res. Division

Schmid, Shafique, Steininger

• Automation Systems Research Division

Blieberger, Kastner

• Parallel Computing Research Division Träff, Hunold

• Fakultät für Elektrotechnik und

Informationstechnik

– Institut für Automat.- und Regelungstechnik (E376)

– Institut für Computertechnik (E384)

– Institut für Nachrichtentechnik (E389)

cloud

swarm fog

Institut für Technische Informatik CPS Research Division [Grosu]

CPS/IoT Ecosystem

• Swarm/Fog/Cloud design

• Learning/Verification/Control

Modeling and Learning

• Recurrent neural netwoks

• Classic and biology inspired

Machine Learning

• Supervised learning

• Reinforcement learning

Verification

• Reachability analysis

• Tight Lagrangian reachtubes



Institut für Technische Informatik CPS Research Division [Bartocci]

Verification of CPS design

• Reachability Analysis

• Fault-localization & explanation

Synthesis of CPS

• From specification to controller design

Runtime Verification

• HW-based monitoring

• Mining/Learning of Requirements

Quantitative Evaluation

• Probabilistic/Statistical Model Checking

• Parameter Synthesis Technische Informatik: Studieren und


Hybrid Systems

!x fq x

q2

q1

q0

STL Specification

j := x t( ) > 0.5( )®à0, 1[ ] !

0, 2[ ] x t( ) < 0.5( )( ) |x| > 0.5 implies within 1 s, |x| settles between 0 and 2 s

Simulation

x t

q0 q1 …

Monitor

Model&&Checking&

OK& KO&

Boolean

verdict

Institut für Technische Informatik CPS Research Division [Puschner]

Echtzeitsysteme

• TTP, TTE … hochzuverlässige Komm. (z.B. Flugzeug, Automobil)

• Systemarchitekturen für

Multi-Criticality Systems

Garantiertes Zeitverhalten

• Worst-Case Zeitanalyse

• Echtzeitbetriebssysteme

• Programmierung und Code-

Generierung

• HW/SW-Architekturen



Institut für Technische Informatik ECS Research Division [Schmid]

Fehlertolerante verteilte Algorithmen

• System- und Fehlermodelle für

hochzuverlässige Systeme

• Agreement in Dynamischen Netzwerken

• Echtzeitverhalten

Verteilte Algorithmen und VLSI

• Selbststabilisierung

• Byzantinische Fehlertoleranz

• System- und Fehlermodellierung



p3

p2

p1

p4

p5

f +1

2f +1

≤ ≤ d+

A

10:00

C B

08:00

10:00

08:00

10:00 08:00

DSP

WLAN

Video

GPRS

GPS

p q i o [d]

SSOsc

T

Institut für Technische Informatik ECS Research Division [Shafique]

Technische Informatik: Studieren

und Forschen an der TU-Wien 15

CARE-Tech.: Computer Architecture and

Robust Energy-Efficient Technologies

• cross-layer HW Security

• Robust embedded computing

• On-Chips Systems for Wearable Healthcare

• Low-Power camera-/sensor-processing

for CPS/Automotive and IoT

• Brain-Inspired Computing

Approximate Computing

Deep Learning architectures

post-CMOS technologies

FC layer

C1

Image 01

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Image 01

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1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

C2P1 P2 FC

Input Image

First ConvolutionC1@6 filters

PoolingP1@Average

Second ConvolutionC2@12 filters

PoolingP2@AverageImage 01

Source: S. Mitra, P. Wong (Stanford),

C. Mackin (MIT), J. Zhang (Google) Source: K. Roy, Purdue

Institut für Technische Informatik ECS Research Division [Steininger]



Asynchrone Designmethoden

• Design-Flow für ASIC & FPGA

• Fehlertoleranz & Robustheit

• Kombination mit synchron (GALS)

• Metastabilität & Synchronizer

On-Chip Fehlertoleranz

• Radiation Modelling (SEUs)

• Radiation Tolerance

• „Design for Dependability“

comb combreg

CLK

comb comb

req

ack

Institut für Technische Informatik Automation Systems Research Division [Kastner]

Fehlertolerante Echtzeitsysteme

• WC Execution Time Analysis

• Program Analysis

Distributed Automation

• Automationsnetze

• Modellierung

• Integratives System-Design

• Simulation

• “Smart” Control



Institut für Technische Informatik Automation Systems Research Division [Kastner]

Automation System Integration

• Deep Integration

Security UND Safety

• Management Integration

System interfaces

Applikationsdomänen

• Smart Homes & Buildings

• Smart Grids Smart Cities

• „Industrie 4.0“

• Internet of Things (IoT)



Institut für Technische Informatik Parallel Computing Research Division [Träff]

Solving computational problems

efficiently on real, parallel machines

Parallel machine models, real machines,

hardware, communication models, memory

models, complexity

Parallel algorithms, and implementations on

real machines (multi-core and distributed-

memory)

Parallel interfaces and languages (MPI,

OpenMP, cilk, …)

Experimental parallel computing



Jedes Wintersemester:

• Übersichtvorträge über konkrete Forschungsthemen

• Einblick in aktuelle Forschungsfragen

• Nützlich für Themenwahl Praktika, Bachelor- und Diplomarbeiten

• Offen für alle InteressentInnen

http://ti.tuwien.ac.at/institute/teaching/ti-research-presentations

TI Research Presentations










TI Studieren



Rahmenbedingungen Studienplan TI

TI ist Wachstumsbranche Immer größerer Bedarf an

hochqualifizierten Spezialisten

• Industrie: Systemingenieure, Entwickler, Technische Manager, etc.

• Forschung: Wissenschaftler



Primäre Zielsetzungen Studienplan TI:

• Ausbildung an der Schnittstelle Elektrotechnik / Informatik

• Primär Informatik-Sichtweise

• Quadratur des Kreises: Praxis versus Wissenschaft

Herausforderungen

Informatik

Mathematik (auch

kontinuierlich)

Elektrotechnik

Physikalisch/technisches

Anwendungswissen

Hardware/Software

Signalverarbeitung

Kommunikation

Fehlertoleranz

Echtzeitverarbeitung

Security

Energie/Ressourcen-

Effizienz

Autonomie



Interdisziplinarität: Integrative Sichtweise:

TI Studienangebot TU-Wien

6 Semester Bachelor TI (535, 180 ECTS)

• Wesentlich grundlagenorientierter als Fachhochschule

• Klar vorgegebene Struktur

• Typische Studierendenzahlen 50-70 Anfänger, 40-50 im 3. Semester, 20-30 Absolventen

• Einige LVAs aus Fakultät ETIT importiert

• LVAs 1. Jahr meist gemeinsam mit anderen Informatik-Bachelors

• Abschluss: Bachelorarbeit (Graduierung: BS)



4 Semester Master TI (938, 120 ECTS)

• Primär forschungsorientierte Ausbildung, wissenschaftlicher

Fokus (formal-mathematische Methoden, Abstraktionsvermögen)

• Typische Studierendenzahlen: 15-20 im 2. Semester, 10-15 Absolventen

• Sehr weitgehende Wahlmöglichkeiten

• Abschluss: Masterarbeit, Diplomprüfung (Grad.: MS = Dipl.-Ing.)

Gehobene Entwicklungsaufgaben in

Cyber-Physical/Embedded Systems

• VLSI Design

• Microcontroller/DSP/Multicore Software-

Entwicklung

• Analyse und Design zuverlässiger Systeme

Applications Engineering (SW/HW)

Unterstützende Aufgaben im

Forschungsumfeld

Qualifikationsprofil Bachelor TI



Übersicht Bachelor TI

1. 30

2. 30

3. 30

4. 30

5. 22

6. 10

28

180

Programming Hardware Signale &

Systeme Dependable Systems & Core

Einf.

Programmieren 1

(5.5 ECTS)

Grundlagen

Digitaler Systeme

(3)

Algebra und

Diskrete Math.

(4+5)

Analysis (2+4)

Einf..

Programmieren 2

(4)

Algorithmen und

Datenstrukturen

(8)

Analysis II (3+4.5)

Comp. Netzw. (3)

Betriebssysteme

(2+4)

Elektrotechnische

Grundlagen

(4+3.5)

Signale und

Systeme 1 (4.5)

Programm- und

Systemverifikation

(6)

Bachelor-Arbeit

(10)

Regelungstechnik

(4.5+1.5)

Wahlpflicht (10)

Theoretische Inf.

und Logik.(6)

Microcontroller (7)

Denkweisen der

Informatik (5.5)

Orientierung (1)

Formale

Modellierung (3)

Wahrscheinlich-

keitstheorie u.

Stoch. Pr.. (4+3.5)

Signale und

Systeme 2 (4)

Modellbildung (3)

Digital Design (3)

Einf. Wiss.Arb. (3) Dezentrale

Automation (2+4)

Freifächer (18)

Echtzeitsyst. (2)

DepSys (3) Rechnerstrukt. (3)

HW Model. (1.5)

Digital Design &

Rechnerstr. (7.5)

ECTS



27

Wahlfächer Bachelor TI

Vertiefung

Abstrakte Maschinen (6.0)

Praktikum TI (6.0)

Übersetzerbau (6.0)

Vertiefung TI

…

Fachübergreifende Qualifikationen und freie Wahl

Fachübergreifende Qualifikationen (9.0)

Freie Wahl (9.0)

Verbreiterung

Datenbanksysteme (6.0)

Einf. Mustererkennung (6.0)

Grundlagen intelligenter Sys. (8.0)

Modellierung (6.0)

Programmierparadigmen (6.0)

Verteilte Systeme (6.0)

…



Highlights BTI (I)

BTI ist vermutlich das anspruchsvollste Bachelor-Programm der Informatik ganz besonders an überdurchschnittlichen Studierenden interessiert.

VORTEILE:

Betreuungsverhältnisse wie an erstklassigen internationalen Universitäten (außer in gemeinsamen LVAs des 1. Jahres …)

Einschlägige Firmen suchen verzweifelt hochqualifizierte TI-Experten erstklassige Berufsaussichten

Multidisziplinäre Arbeit ist intellektuell herausfordernd und befriedigend garantiert lebenslanges Interesse

Bachelor with Honors



Highlights BTI (II)

BTI ist keineswegs „unstudierbar“ !

Keineswegs nur für HTL-Absolventen geeignet !

Umstieg von BTI auf anderes Informatik-Bachelorstudium im 1. Jahr ohne „Verluste“ möglich !

Fortsetzung mit anderem Informatik-Masterstudium (etwa Software und Information Engineering) einfach !



Checklist „Bachelor TI 4 Me“ ?

Interesse an Elektrotechnik und technischen Anwendungen ?

Interesse an Mathematik (inklusive Analysis) ?

Ganzheitliche Sichtweise ?

Neigung zur Tüftelei ?

Schriftliche und mündliche Kommunikationsfähigkeit, v.a. mit Vertretern anderer Disziplinen ?

Teamfähigkeit ?



Wissenschaftliche

Forschung

Industrielle Forschung

Modellierung, Design und

Analyse von Cyber-

Physical Systems

Qualifikationsprofil Master TI

Feldebene

Automationsebene

Managementebene

M M

Brandmelde-

technik

Heizkessel

Raum-

automation

Kälte-

maschinen

Wartung

Instand-

haltung

Fax, E-Mail

Host-

Rechner

Aufzüge,

Roll-

treppen,

etc.

Facility

Management

Heiz-

tagebuch

Pager-SMS/Dienste

Zutritts-

kontrolle

Gebäudeautomation„alte“ GLT

Einbruch-

meldetechnik



Engi

Übersicht Master TI

1.

2.

3.

4.

Digital

Circuits &

Systems

Cyber-

Physical

Systems

Depend.

Distribut.

Systems

Adv.DigDes

(4.5).

Adv.CA (4.5)

Discr.Math (9)

Formal Meth.

(9)

CPS: Stoch.

Foundations

(6)

Advanced

Multiprocessor

Progr. (4.5)

Verteilte

Algorithmen

(6)

Computer

Aided

Verificat. (6)

Diplomarbeit

(30)

Wahlmodule

Automation Computer-

Aided

Verificat.

IT in

Automation

(6)

SigPr.1 (4.5)

SigPr.2 (4.5)

Digital

Signal

Proc. &

Comm.

3 Gate-

keeper

Wahlmodule

Freifächer (9)

[Dipl. Sem.

(3)]

Pflicht-

Module

Zu wählen: Gatekeeper + Wahlmodule von 3 aus 6 Schlüsselbereichen



Auflagen Einstieg aus BSI • GgF. Auflagen SBs

Auflagen Einstieg aus BMI, BZI • Betriebssysteme

• GgF. Auflagen SBs

Auflagen Einstieg aus ETIT • Algorithmen und Datenstrukturen

• Theoretische Informatik und Logik

• Betriebssysteme

Auflagen Einstieg aus TMat,TPhy • Algorithmen und Datenstrukturen


• Betriebssysteme

• GgF. Auflagen SBs

Grundvoraussetzungen: • Einführung in die Programmierung

• Algebra und Diskrete Mathematik

• Analysis

• Wahrscheinlichkeitstheorie und

Stochastische Prozesse

• Algorithmen und Datenstrukturen


• Betriebssysteme und Computernetzwerke

oder Betriebssysteme

Voraussetzungen für SBs: • SB Digital Circuits and Systems: Digital

Design

• SB Digital Signal Processing and

Communication: Signale und Systeme

• SB Automation: Dezentrale Automation

• SB Cyber-Physical Systems: Modellbildung

und Regelungstechnik, Microcontroller

Wir unterscheiden Grundvoraussetzungen, die vor der MTI-Zulassung zu absolvieren sind

(ausgenommen: TU Bachelors) und Voraussetzungen für gewählte SBs, die durch Auflagen

erfüllt werden können. Spezifikation durch Module aus dem Bachelor-Studium Technische

Informatik, in dem Sinne daß inhaltlich und vom Level und ECTS-Aufwand her äquivalente LVAs

dafür akzeptiert werden.

Studienzulassung für Master TI [Auflagen]



Checklist „Masterstudium TI 4 Me ?“

Bachelor-level Grundlagenkenntnisse in Informatik

(Ideal: Bachelor TI) ?

Interesse an wissenschaftlicher Forschung ?

Formal-mathematische Neigung ?

Interdisziplinäres Interesse ?

Holistische Sicht der Dinge ?

Writing Skills ?

Selbstorganisation ?



Weitere Infos

Studieninfo: http://ti.tuwien.ac.at/teaching

TI-Portal: http://ti.tuwien.ac.at

TI Research Presentations: http://ti.tuwien.ac.at/institute/teaching/ti-research-presentations

Fakultät: http://www.informatik.tuwien.ac.at

Alle Studienpläne:

http://www.informatik.tuwien.ac.at/lehre/studienplaene



http://ti.tuwien.ac.at/teaching

http://ti.tuwien.ac.at/






http://www.informatik.tuwien.ac.at/

http://www.informatik.tuwien.ac.at/lehre/studienplaene

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