Vor mehr als 20 Jahren begann die Erfolgsgeschichte von Linux als freies, offenes Betriebssystem, an dem jeder mitarbeiten kann. Heute ist Linux das führende Betriebssystem bei Embedded Geräten. Diese Erfolgsgeschichte möchte Calista Redmond jetzt mit Open-Source-Hardware wiederholen. Seit März 2019 ist sie CEO der RISC-V Foundation, die eine offene Befehlssatzarchitektur vorantreibt. Damit soll jedermann Prozessoren ohne die Zahlung von Lizenzgebühren entwickeln, herstellen und verkaufen können. Im Gespräch mit dem Future Markets Magazine erweist sich die studierte Betriebswirtschaftlerin und erfahrene Managerin als überzeugte Verfechterin offener Systeme.

Schon bevor sie Geschäftsführerin bei der Foundation wurde, hat sie unter anderem verschiedene Open-Source-Initiativen bei IBM begleitet. Hier hat sie gelernt, wie durch die Zusammenarbeit mit anderen Organisationen die Einführung neuer Technologien beschleunigt werden kann. Und als Mitgründerin von gleich vier erfolgreichen Start-ups weiß sie, wie man mit einer Vielzahl von Interessengruppen zusammenarbeitet. Eine Erfahrung, die sie hervorragend auf die Führung der RISC-V Foundation vorbereitet hat. Calista Redmond ist sich sicher:

„Offene Hardware kann Innovationen drastisch beschleunigen und das Spielfeld zum Nutzen des gesamten Ökosystems öffnen.“

Was ist es, dass sie so an der IT-Welt reizt?

Calista Redmond: Technologie ist die stärkste Kraft, um Branchen zu revolutionieren, Unternehmen zu stärken und unser Leben zu verbessern. Jeder kann dabei eine Rolle spielen, und insbesondere Open Source kann die Voraussetzungen verbessern, sich zu engagieren und daran mitzuwirken.

Vor Ihrer Karriere bei IBM haben Sie vier Start-ups mitgegründet. Warum der Wechsel zu einem großen Unternehmen – und dann zu einer Stiftung?

C. R.: Man lernt enorm viel, wenn man allein ein Unternehmen gründet und aufbaut – von jeder Ecke und Facette des Unternehmens. Und von großen Unternehmen kann man ausgereifte Best-Practice-Verfahren und Methoden übernehmen. Aus beiden Erfahrungen ist mir klar geworden, dass die beste Wirkung durch Zusammenarbeit erzielt wird.

Daher wollte ich meine Open-Source-Erfahrungen erweitern. Eine Open-Source-Community ermöglicht eine enge Zusammenarbeit, die mit gemeinsamen, langfristigen strategischen Interessen verbunden ist. Ich beschäftige mich seit Jahren intensiv damit, die Open-Source-Ideologie in Hardware einzubringen. Und die RISC-V ist eine beeindruckende Architektur und Gemeinschaft, mit der man das aufbauen kann.

Warum benötigt die Branche offene Hardwarelösungen?

C. R.: Obwohl es Open-Source-Software schon seit Jahrzehnten gibt, gab eine größere Herausforderung. Und zwar die Branche zur Zusammenarbeit und Einführung offener Hardwarelösungen zu bewegen. Mit Hardwaredesigns sind besondere Herausforderungen verbunden – einschließlich Entwicklungszeit und -kosten. Und genau das ist der Grund, weshalb die Industrie offene Hardwarelösungen benötigt.

Unterscheidet sich die Arbeit an einem Open-Source-Projekt von der Arbeit an einem klassischen, proprietären System?

C. R.: Ja, es ist ganz anders, da Sie viele zusätzliche Variablen berücksichtigen müssen. Open-Source-Lösungen müssen für die Anforderungen einer Vielzahl von Unternehmen auf der ganzen Welt geeignet sein, die alle Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen und Branchen entwickeln. Die Interoperabilität zwischen Implementierungen ist bei Open-Source-Lösungen viel wichtiger. Darüber hinaus basieren Open-Source-Projekte auf den Anstrengungen der Gemeinschaft, gemeinsame Ziele und Vorgaben zu erreichen. Zum Dank erlebt man eine Gemeinschaft gleichgesinnter Menschen, die zusammenkommen, um die komplexesten Probleme der Branche gemeinsam zu lösen. Das bedeutet, dass Transparenz im Vordergrund steht und Entscheidungen demokratisch und nicht top-down getroffen werden. Im Kern definieren wir die Grundbausteine, auf denen viele Unternehmen ihre Geschäfte aufbauen können.

Was bedeutet das exponentielle Wachstum beim Einsatz von Embedded Systemen und Edge Computing für Prozessoren im Allgemeinen?

C. R.: Der Bedarf an Rechenleistung von Künstlicher Intelligenz, Maschinellem Lernen, IoT, High Performance Computern sowie Virtual und Augmented Reality hat die Branche massiv unter Druck gesetzt. Neue Anforderungen an die Rechenleistung in verschiedenen Energie- und Leistungsdimensionen haben allgemein die Nachfrage erhöht und den Wettbewerb bei kundenspezifischen, für spezielle Anwendungsanforderungen entwickelten Prozessoren verstärkt. Da Befehlssatzarchitekturen (ISAs) Jahrzehnte alt sind, sind sie nicht für die neuesten Workloads ausgelegt. Die RISC-V ISA ermöglicht es uns, mit einem leeren Blatt Papier zu beginnen und Designs für neue Arbeitslasten zu optimieren, was eine neue Ära des Silizium-Designs und der Prozessorinnovation durch offene Standards einläutet.

Wie ist die Idee von RISC-V entstanden?

C. R.: Im Sommer 2010 startete das Informatik-Team der UC Berkeley ein Projekt zur Entwicklung einer eigenen Designarchitektur. Sie nannten diese Architektur
RISC-V, da es die fünfte große Iteration des RISC (Reduced Instruction Set Computing) ISA ist. Dieses Projekt wurde von Krste Asanovic, Andrew Waterman und Yunsup Lee mit Unterstützung von David Patterson geleitet, der in den 1980er Jahren Pionierarbeit bei der RISC-V Architektur leistete. Die RISC-V Foundation wurde 2015 gegründet, um die zukünftige Entwicklung und Ausrichtung der RISC-V ISA zu steuern.

Was sind die Vorteile von RISC-V?

C. R.: Die RISC-V ISA ist ein Open-Source-Blueprint für allgemeine und kundenspezifische Prozessoren, mit denen alle Arten von Unternehmen, ob groß oder klein, Innovationen beschleunigen können.

RISC-V bietet einen neuen Level an Freiheit bei der Soft- und Hardware bezüglich der Architektur, und das auf eine offene, erweiterbare Art und Weise. Die offene ISA bietet einfacheren Support von einer Vielzahl von Betriebssystemen, Softwareanbietern und Tool-Entwicklern. RISC-V ist nicht auf einen einzigen Lieferanten angewiesen – es bietet eine Vielzahl von Lieferanten und unterstützt damit unbegrenztes Potenzial für zukünftiges Wachstum. Und schließlich wird keine andere ISA wie die RISC-V ISA entworfen: Sie ermöglicht eine benutzerdefinierte Erweiterbarkeit der Architektur, ohne bestehende Erweiterungen zu beeinträchtigen oder eine Zersplitterung der Software zu verursachen. Aber das sind nur einige der wichtigsten Vorteile von RISC-V.

Was fasziniert Sie persönlich an RISC-V?

C. R.: Im Laufe meiner Karriere war ich stolz darauf, Teil einer Reihe von Open-Source-Initiativen zu sein, die technologische Innovationen vorangetrieben und die die branchenweite Zusammenarbeit gefördert haben. Das RISC-V Ökosystem ist eine der dynamischsten Gemeinschaften, die ich bisher gesehen habe. Im vergangenen Jahr verzeichnete die RISC-V Foundation ein Mitgliederwachstum von mehr als 100 Prozent; mehr als 420 Organisationen, Einzelpersonen und Universitäten aus 28 Ländern und sechs Kontinenten auf der ganzen Welt sind Teil der Foundation. Während die ISA über ihre Wurzeln in der Wissenschaft hinausgewachsen ist, erleben wir immer mehr kommerzielle Akzeptanz und Umsetzung in einer Vielzahl von Branchen. Für mich am wichtigsten ist, dass ich wirklich glaube, durch die Open-Source-Zusammenarbeit wie bei RISC-V die Zukunft der Technologie voranzutreiben. Ich bin stolz darauf, die RISC-V Revolution mit zu führen.

Was haben zum Beispiel die Hersteller von IoT-Geräten davon?

C. R.: Die RISC-V ISA bietet deutlich mehr Kontrolle über Hard- und Software-Implementierungen. Mit RISC-V können Designs für eine Vielzahl von Funktionen wie geringer Energieverbrauch, höhere Leistung und stärkere Sicherheit optimiert werden, während die volle Kompatibilität mit anderen RISC-V-basierten Designs erhalten bleibt. RISC-V macht es für IoT-Hersteller einfacher, die nächste Generation von IoT-Geräten zu entwickeln, die KI-Informationen aus umfangreichen Datenquellen wie Bild, Video, Audio usw. verarbeiten können und von Anfang an Sicherheit zu integrieren.

Wie haben etablierte Chiphersteller darauf reagiert?

C. R.: RISC-V hat eine kritische Masse von Unternehmen erreicht, die RISC-V einsetzen und zum Ökosystem beitragen, darunter mehrere Chiphersteller. Ich gehe davon aus, dass wir in den kommenden Jahren noch mehr Interesse von Chipherstellern sehen werden. Denn sie können mit RISC-V ihr Angebot erweitern und die Bedürfnisse ihrer Kunden besser erfüllen.

Warum ist RISC-V gerade für Embedded und Edge Systeme so interessant?

C. R.: Unternehmen profitieren von der kostenlosen und offenen RISC-V ISA. RISC-V öffnet die ehemals „geschlossene“ Architektur und ermöglicht Innovationen, die wiederum neue Chancen und Anwendungen anstoßen. Mit seinem robusten Ökosystem beschleunigt RISC-V die Markteinführung und reduziert Risiken und Investitionen, so dass Unternehmen innovative Lösungen ohne großes Budget oder Team entwickeln können. Darüber hinaus bietet RISC-V die Möglichkeit, mit seiner schichtenbasierten und erweiterbaren ISA Tausende von möglichen kundenspezifischen Prozessoren zu erstellen. Unternehmen können den minimalen Befehlssatz, klar definierte oder kundenspezifische Erweiterungen implementieren, um speziell für die nächste Generation von Edge Computern zugeschnittene Prozessoren zu entwickeln.

Wer setzt RISC-V heute schon ein? In welchen Anwendungen?

C. R.: Die RISC-V Foundation hat eine unglaublich dynamische Community mit 420 Mitgliedern aus den verschiedensten Branchen: Anwendungsprozessoren und Grafik, kommerzielle Chips, Beratung und Forschung, Entwicklungswerkzeuge, Foundry-Services, FPGAs, IP– und Design-Services, Maschinelles Lernen und KI, Netzwerke, Halbleiter-IP sowie Software und Cloud. Auf unserer Webseite ist eine Liste verschiedener Cores und SoCs zu finden, die sich um die Umsetzung der RISC-V Spezifikation bemühen.

Eine Ihrer Aufgaben bei der RISC-V Foundation ist es, die weltweite Einführung von RISC-V Ökosystemen voranzutreiben. Wie weit ist dieser Prozess heute fortgeschritten?

C. R.: RISC-V hat weltweit eine starke Akzeptanz erfahren, einschließlich staatlicher RISC-V Initiativen in China, der Europäischen Union und Indien. Zusätzlich zu den von der Foundation geleiteten Arbeitsgruppen und Aktivitäten gibt es zahlreiche RISC-V Gruppen und Veranstaltungen auf der ganzen Welt. In den nächsten Jahren werden wir mehr Consumer-Geräte sehen, die auf RISC-V basierenden Lösungen aufbauen – neben HPC-Systemen, Servern und anderen Rechenmaschinen.

RISC-V – Offenheit fürs Chip Design

Erfahren Sie mehr über die RISC-V Foundation: www.risc.org

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Es gibt viele Definitionen und Betrachtungsweisen, was unter Edge Computing fällt. „Je nachdem, mit wem man spricht, wird Edge anders definiert“, so Dr. Felix Winterstein, Mitgründer und CEO von Xelera. Thorsten Milsmann, Director Digital & IoT bei Hewlett Packard Enterprise (HPE), findet aber eine Definition, der alle am Tisch zustimmen können: „Alles, was außerhalb des Rechenzentrums ist, ist die Edge.“ Damit sind die Expertengesprächs-Teilnehmer recht schnell bei der Begriffsbestimmung: „Die längste Experten-Diskussion an der ich teilnehmen durfte, was Edge Computing tatsächlich ist, ging zweieinhalb Stunden lang. Am zielführendsten ist es vermutlich, den Definitionen des „Linux Foundation‘s Open Glossary of Edge Computing“-Projektes zu folgen“, erklärt Dr. Alexander Willner, Leiter des IIoT Centers des Fraunhofer Instituts für offene Kommunikationssysteme.

Mehr Sensorik, mehr Daten

Dabei ist Edge Computing eigentlich gar nicht so etwas Neues, wie Dr. Johannes Kreuzer, CEO von Cosinuss, betont. Sein Unternehmen entwickelt Sensorik, die im Ohr des Patienten Vitalparameter misst. „Schon in meiner Doktorarbeit habe ich darüber geschrieben, warum Datenanalysen direkt am Patienten erfolgen müssen. Damals einfach, weil wir die Daten nicht sinnvoll übertragen konnten. Es hieß da nur noch nicht Edge Computing.“ Die Gründe, Daten vor Ort zu analysieren, waren schon die gleichen wie heute. Ein kontinuierliches Übertragen der Daten würde zu viel Energie verbrauchen, zumal das Volumen der Daten dafür viel zu groß wäre.

„Die Datenmenge wächst primär auf der Applikationsseite. Wir werden daher in den nächsten Jahren ein gewaltiges Wachstum des Upstream-Volumens sehen.“

Dr. Felix Winterstein, CEO von Xelera Technologies

„Es wird immer mehr Sensorik verbaut, um Systeme zu überwachen und genauer zu steuern“, so Ulrich Schmidt, Manager des High-End Processing Segments bei EBV. „Damit nimmt das Datenvolumen massiv zu, was wiederum eine Vorverarbeitung von Daten bedingt, bevor sie dann an die Cloud geschickt werden.“ Durch die Verarbeitung von Daten auf dem Edge Gerät gewinnt man zudem eine gewisse Unabhängigkeit von der Internet- bzw. Datenverbindung in die Cloud – ein wichtiges Argument zum Beispiel in der Medizintechnik, wie Johannes -Kreuzer berichtet: „Hier müssen die Systeme einfach zuverlässig funktionieren, von daher ist es am sichersten, wenn die Datenverarbeitung und Steuerung direkt am Patienten, der das Edge Gerät trägt, abläuft.“

Echtzeitanwendungen nehmen zu

„Hinzu kommt, dass der Anteil an Daten, die in Echtzeit verarbeitet werden müssen, parallel mit dem Volumen steigt“, ergänzt Dr. Felix Winterstein. Aurel Buda, Leiter des Produktmanagements Fabrikautomation Systeme bei Turck, bestätigt das aus Sicht der Anwender: „In der Industrie soll immer schneller, immer zuverlässiger und immer flexibler produziert werden. Mit den klassischen Steuerungsprozessen ist das nicht mehr zu realisieren.“ Als Beispiel nennt er die Automobilproduktion, wo schnell mehrere tausend Roboterzellen arbeiten, jede mit mehreren hundert Sensoren ausgestattet, die Daten im Takt von zehn Millisekunden generieren. Bei einer Verarbeitung dieser Daten in der Cloud, mit einer Latenz von einigen Sekunden, würde das System nicht funktionieren. „Derartige Prozesse müssen mit Entscheidungen innerhalb von 100 Millisekunden gesteuert werden“, so Buda. Andere Anwendungen stellen noch extremere Anforderungen. Dr. Winterstein gibt ein Beispiel: „Bei Augmented Reality Anwendungen mit entsprechenden Brillen müssen die Daten innerhalb von 20 oder 30 Millisekunden verarbeitet werden, weil es dem Nutzer sonst schlecht wird – Motion Sickness nennt man das Phänomen.“ Die Rechenleistung, um die Daten in dem Umfang und mit der Geschwindigkeit in Edge Geräten zu berechnen, reicht bereits heute aus. „Auch wenn man niemals sagen kann, wir haben genug Compute Power“, wie Dr. Felix Winterstein meint. „Aber es gibt heute eine Vielzahl leistungsfähiger Chips, auch um speziell KI-Anwendungen in der Edge zu realisieren.“

„Auch Edge Devices müssen immer auf dem aktuellen Stand gehalten werden. Dabei können Admintools helfen, ähnlich denen, die im Rechenzentrum eingesetzt werden.“

Thorsten Milsmann, Director Digital and IoT bei Hewlett Packard Enterprise

KI wird oftmals im Zusammenhang mit Edge Computing genannt – doch das eine bedingt das andere nicht, wie Johannes Kreuzer betont: „Es gibt zwar viele Überschneidungen. Aber oftmals werden die Daten in Edge Anwendungen einfach nur über einen relativ einfachen Algorithmus analysiert – das hat dann nichts mit KI zu tun.“ Die Expertengesprächs–Teilnehmer sind sich einig, dass ein gut gewählter Schwellenwert oftmals mehr Nutzen bringt als ein neuronales Netz, das erst noch trainiert werden muss – auch wenn die Möglichkeiten der KI hochspannend sind und man erst am Anfang der Entwicklung steht. Dennoch, „mit der heute zur Verfügung stehenden -Rechenleistung lassen sich Rechen-modelle vor Ort ausführen, die früher gar nicht denkbar waren – und das sogar teils in Echtzeit“, so Thorsten Milsmann. Wobei die Lernphase aktuell noch immer Sache des Rechenzentrums ist, wie Ulrich Schmidt betont: -„Die Inferenz, also das Anwenden der gelernten Modelle, dagegen wird zunehmend auf den Edge Devices ausgeführt.“

Energieeffiziente Controller gesucht

Eine andere Herausforderung benennt Johannes Kreuzer: „Unsere Controller sind gerade mal zwei mal zwei Millimeter groß, verfügen über Bluetooth und eine Floating Point Unit. Die Leistung hierfür ist kein Problem. Womit wir kämpfen, ist der Stromverbrauch. Weil es bei mobilen Anwendungen einfach relevant ist, ob ein Gerät acht oder 24 Stunden läuft, bis es wieder geladen werden muss.“ Dabei ist es wichtig, dass trotz immer höherer Rechenleistung mit einem normalen Kühlkörper gearbeitet werden kann – ein Lüfter würde den Energieverbrauch in die Höhe schnellen lassen und eine zu wartende Komponente in das System bringen, wie Ulrich Schmidt erklärt: „Eine Lösung sind dedizierte Hardware-Blöcke, die jeweils für ganz spezielle Anwendungen konzipiert sind. Dadurch, dass man den generalistischen Ansatz verlässt, kann die Verlustleistung reduziert werden.“

„Es gibt immer mehr Geräte, die zudem mehr Daten generieren – nur mit Edge Computing lässt sich das exorbitant steigende Datenvolumen verarbeiten.“

Dr.-Ing. Johannes Kreuzer, Co-Gründer & CEO von Cosinuss

Cybersecurity und die Edge

Doch nicht nur Latenzanforderungen und explodierendes Datenvolumen sind Treiber des Edge Computing, wie Dr. Alexander Willner erklärt: „Gerade in Europa – und besonders in Deutschland – möchte man oftmals auch nicht, dass die Daten in der Cloud verteilt werden – Stichwort Datenschutzgrundverordnung.“ Wobei vieles mehr zum Thema Datensicherheit gehöre, „als nur die Festplatte im eigenen Schrank zu haben“, wie es Thorsten Milsmann ausdrückt. „Sobald eine WLAN-Verbindung besteht oder ein Gerät über IP angebunden wird, ist ein umfassendes Sicherheitskonzept nötig.“ Für Aurel Buda ist die Sicherheit bei der Datenverbindung schon heute ausreichend realisierbar: „Was die Kommunikation angeht, da haben wir die Verschlüsselung. Vielleicht ist die Usability hier mit dem Zertifikatsmanagement noch zu verbessern, aber per se haben wir damit erstmal eine sichere Kommunikation.“ Probleme sieht er vielmehr dann, wenn vorhandene Anlagen mit Intelligenz ausgestattet und an das IoT angeschlossen werden – zum Beispiel bestehende Industrieanlagen modernisiert werden, um Condition Monitoring oder digitale Instandhaltung zu realisieren. „In den industriellen Automatisierungsnetzen gibt es sehr wenige Technologien, die ernsthaft sicher sind.“ Denn früher waren sie nicht vernetzt, nicht an das Internet angeschlossen und boten so eine intrinsische Sicherheit. Hier aber bei jedem angeschlossenen Sensor eine sichere Kommunikation mit Verschlüsselung zu realisieren, das hält Buda für nicht bezahlbar – und vielleicht auch gar nicht nötig: „Wen interessiert schon ein Sensorwert, der alle einhundert Millisekunden nahezu unverändert übermittelt wird? Wichtig ist vielmehr sicherzustellen, dass das tatsächlich der richtige Wert des Sensors ist, er also nicht korrumpiert wurde.“

„Wir stellen uns der Herausforderung, Daten mit geringem Aufwand aus der Feldebene bis in die Cloud zu bringen.“

Aurel Buda, Leiter Produktmanagement Fabrikautomationssysteme bei Turck

Dazu bietet die Halbleiterindustrie bereits passende Lösungen an, wie Ulrich Schmidt erläutert: „Dabei werden von Anfang an Secure-Elemente in die Lösungen eingebunden, über die eine gesicherte Datenverbindung aufgebaut und sichergestellt werden kann, dass nur authentifizierte Geräte miteinander kommunizieren.“ Damit sei es dann auch möglich, Edge Geräte „over-the-air“ mit Updates zu versehen und sie auf den jeweils neuesten Firmware-Stand zu bringen. Zusammen mit Systemen zur Intrusion Detection und zur verhaltensorientierten Sicherheit könnte so auch bei Edge Anwendungen im industriellen Umfeld für Sicherheit gesorgt werden. „Allerdings müssen wir den Systemen erstmal beibringen, was ungewöhnliches Verhalten und was falsch und richtig ist“, betont Thorsten Milsmann. „Denn die in der Automatisierung eingesetzten Feldgeräte sind mit ihren Protokollen in der IT-Welt bisher oft nicht bekannt.“

„Dedizierte Hardwareblöcke, die maßgeschneidert sind auf spezielle Anwendungen, reduzieren die benötigte Prozessorleistung und damit den Energieverbrauch.“

Ulrich Schmidt, Segment Manager High-End Processing bei EBV Elektronik

Daten von der Feldebene in die Cloud

Genau dieses Zusammentreffen von Produktions- und IT-Welt ist auch die entscheidende Herausforderung, will man die in den Sensoren oder anderen Feldgeräten gesammelten Daten über die verschiedenen Ebenen des Edge Computing bis in die Cloud bringen: „Die Daten liegen in anderen Formaten und völlig unstrukturiert vor – die standardisierte Integration dieser Sensor Daten in die höher liegenden Systeme ist aber bereits aktuell Bestandteil entsprechender Standardisierungsarbeiten“, so Aurel Buda. Er ist zum Beispiel im entsprechenden Gremium aktiv, dass bereits das Mapping von IO-Link, einer weltweit standardisierten Anschlusstechnik für Sensoren und Aktoren, auf OPC/UA standardisiert hat. Das ist ein offener Schnittstellenstandard zum herstellerunabhängigen Austausch von Daten in der Produktion. Der nächste Schritt wird ein Mapping auf MQTT sein, dem Standardprotokoll für die IoT- bzw. M2M-Kommunikation von Geräten und Applikationen, oder auf JSON, einem standardisierten, textbasierten Format, um strukturierte Daten auf Basis eines JavaScript Objekts darzustellen. Und damit würde die Automatisierungswelt sich ein großes Stück der IT-Welt annähern. Immerhin – bei den Betriebssystemen ist dieses Zusammenwachsen bereits zu sehen, wie Ulrich Schmidt meint: „Je weiter ich vom Sensor zur Microcontroller-Einheit gehe, desto häufiger kommt heute Linux zum Einsatz, gerade auch dank der Zusatzfunktionen zur Echtzeitfähigkeit. Auch Microsoft versucht, mit Windows 10 IoT, im Edge Bereich Marktanteile zu gewinnen.“

Standards gefordert

„Ein Problem ist aber, dass wir bei den Chips eine total heterogene Landschaft haben“, ergänzt Dr. Felix Winterstein. „Damit ist es nicht mehr möglich, ein Programm zu schreiben und es mit einem Compiler zu kombinieren, so dass es danach einfach auf jedem Rechner läuft. Zudem haben wir in einem verteilten System tausende von Knoten, von kleinen Hardware-Einheiten, die eben nicht alle gleich sind. Dennoch muss die Anwendung auf all diesen verschiedenen Plattformen funktionieren.“ Ein Vorbild, wie diese Herausforderung gemeistert werden kann, sieht der Xelera-CEO in der Telekommunikationsbranche. Hier ermöglicht eine Föderation unabhängiger Netzwerke, dass man überall auf der Welt mit seinem Smartphone eine Verbindung bekommt. „Dafür sorgt unter anderem die ETSI“, so Alexander Willner. Das European Telecommunications Standards Institute ist zuständig für die Erarbeitung von europaweiten Normen, Standards und Spezifikationen auf dem Gebiet der Telekommunikation. „Einer der wenigen Standards, die wir im Edge Computing Bereich haben. Der jedoch im industriellen Kontext keine Rolle spielt und auch wohl in Zukunft nicht adaptiert wird.“

„Beim Edge Computing müssen Ressourcen geteilt und verwaltet werden – daher benötigen wir neue Managementansätze.“

Dr.-Ing. Alexander Willner, Leiter des Zentrums Industrial Internet of Things, Fraunhofer FOKUS

Eine gewisse Hoffnung setzen die Experten am Tisch in Open-Source-Lösungen: „Mit Open-Source-Technologien lassen sich ganze Landschaften oder Entwicklungsumgebungen bilden, die die Einstiegshürden in die Entwicklung von Edge Anwendungen deutlich senken würden“, meint zum Beispiel Aurel Buda. Thorsten Milsmann sieht darin eine große Chance, Edge Applikationen weiter zu standardisieren und einfacher zu realisieren: „Bei einem offenen Standard können nicht nur mehr Anwender die Lösung nutzen, sondern es können auch mehr etwas dazu beitragen – man hat damit einen Hebel zur weiteren Verbreitung von Edge Lösungen.“ Alexander Willner könnte sich sogar ein komplettes Ökosystem offener Lösungen vorstellen: „Das beginnt bei einem RISC-V Prozessor im Edge Device, geht über Linux-Betriebssysteme und Edge Middelware und reicht bis oben zu jeder Applikation.“ Doch Johannes Kreuzer bleibt da skeptisch: „Zum einen verändert sich jede Komponente in dem System zu schnell. Zum anderen benötigt man für viele Anwendungen einfach spezielle Chips, zum Beispiel FPGA oder DSP.“ Das mache eine durchgängige offene Lösung sehr schwer realisierbar. Thorsten Milsmann betont daher, dass Edge Lösungen auch in Zukunft in Teamarbeit realisiert werden: „Man benötigt Partner für den Aufbau der Infrastruktur, für die erforderlichen Software-Stacks, Security-Fachleute, Integratoren vor Ort und Energie-Experten – alleine kann das keiner mehr schaffen.“ Das könnte ein interessanter Markt für Dienstleister und Systemintegratoren werden.

Auch nichttechnische Herausforderungen

Und vielleicht auch eine Antwort auf die Sorgen derjenigen, die befürchten, dass die Digitalisierung Arbeitsplätze vernichtet. Denn „gerade mit KI-Anwendungen in der Edge können viele Arbeiten automatisiert werden, stärker, als wir es von der Automatisierungstechnik her kennen“, wie Alexander Willner zu Bedenken gibt. Er ist daher ein Freund des bedingungslosen Grundeinkommens, glaubt aber auch, dass viele Arbeitsbereiche in Zukunft durch neue Tätigkeiten ersetzt werden könnten. Gleichzeitig sind sich die Experten einig, dass nur mit einer derartigen Automatisierung der Standort Europa wettbewerbsfähig bleibt und durch KI sogar mehr Jobs geschaffen werden als entfallen. So lautet dann das sokratische Fazit von Alexander Willner zum Thema Edge Computing: „Es wird auch eine spannende, komplett nicht technische Herausforderung.“

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Was verstehen Sie bei EBV unter Edge Computing?

Antonio Fernandez: Wir verstehen unter Edge Computing die Infrastruktur, die gebraucht wird, um eine leistungsstarke Datenverarbeitung und -speicherung in der Nähe des Ortes zu implementieren, an dem sie benötigt wird – am Rande des Netzwerks, in der Nähe der Datenquelle.

Verschiedene Schlüsselfaktoren tragen dazu bei, die Nachfrage nach Edge Computing steigen zu lassen, und treiben die Entwicklung voran. Dazu zählen die zunehmenden KI-Anwendungen genauso wie die Notwendigkeit von Echtzeit-Performance mit geringen Reaktionszeiten oder der Schutz kritischer Daten. Gleichzeitig muss vor dem Hintergrund der steigenden Zahl verteilter Sensoren im IoT die Menge der übertragenen Daten reduziert werden.

Wird das Edge Computing die Cloud ersetzen oder werden beide eher parallel existieren?

A. F.: Es wird einen Wechsel vom zentralisierten IoT in der Cloud zum verteilten IoT mit Edge Computing geben, aber beide werden nebeneinander existieren. Edge Computing reduziert die Menge der an die Cloud gesendeten Daten und reduziert die Latenzzeit des Netzwerks, was die Reaktionszeit verbessert. Edge Lösungen ermöglichen sichere intelligente Entscheidungen in Systemen, die nicht mit der Cloud verbunden sind, und können den Datenschutz verbessern.

Die Cloud wird viel leistungsfähiger bei der Verarbeitung riesiger Datenmengen in Echtzeit. Im Kontext der künstlichen Intelligenz wird das Lernen und die Speicherung großer Datenmengen in der Cloud stattfinden, während Erfassung, Inferenz und Aktion für das maschinelle Lernen häufiger in der Edge stattfinden werden. Edge wird also nicht die Cloud ersetzen, sondern die Cloud ergänzen.

Welche Rolle spielt dabei die Embedded Technologie?

A. F.: Embedded Systeme, die im Edge Computing eingesetzt werden, haben besondere Anforderungen zu erfüllen, die sich von PCs oder Servern in Rechenzentren unterscheiden. Sie müssen kompakt, hochintegriert und mit mehreren sicheren Verbindungsmöglichkeiten und Schnittstellen zur Kommunikation mit Sensoren und Aktoren ausgestattet sein. Sie müssen mit anderen Systemen interoperabel sein und die richtige Balance zwischen Rechenleistung und Stromverbrauch finden. Die Embedded Technologie muss robust und zuverlässig genug sein, um in spezifischen Umgebungsbedingungen sicher zu funktionieren, und sie muss über die Möglichkeit zur Verwaltung, Überwachung und Steuerung über Fernzugriff verfügen. Alle Embedded Systeme haben eine zunehmende Konvergenz von Rechen-, Speicher- und Netzwerkfähigkeiten gemeinsam.

Welche Rolle spielt die Halbleiter-Technologie überhaupt bei der Embedded Technologie?

A. F.: Der Kern des Edge Computing sind die Applikationsprozessoren als stand-alone oder integriert in FPGAs oder anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise. Dann sind Bausteine für Datenverarbeitung und -speicherung, Schnittstellen, Spannungsversorgungen, Timing, Netzwerk-peripheriegeräte usw. erforderlich. Der Einsatz wettbewerbsfähiger „grüner“ und zuverlässiger Halbleiter nach Stand der Technik ist für Edge Computing unerlässlich.

Was sind für Sie die wesentlichen Entwicklungen in der Halbleiter-Technologie mit Hinblick auf das Edge Computing?

A. F.: Die neue Generation von ARM-Applikationsprozessoren in 28-Nanometer-Technologie bietet eine höhere Leistung, eine höhere Integrationsdichte an Peripheriekomponenten inklusive GPU, einen geringeren Stromverbrauch, eine höhere Zuverlässigkeit und sehr wettbewerbsfähige Preise.

Die Entwicklung von FPGAs über Systems-on-Chips bis hin zu in modernster 7-Nanometer-Technologie realisierten Adaptiven Compute Acceleration Plattformen, sogenannten ACAPs, bietet eine bisher unerreichte Leistungsfähigkeit. Ihre Hard- und Software ist für parallele heterogene Berechnungen und die Integration intelligenter Beschleuniger für künstliche Intelligenz und erweiterte digitale Signalverarbeitung optimiert.

Wo sehen Sie bei der Hardware noch Entwicklungsbedarf, um Edge Computing weiter zu optimieren? Welche Trends beobachten
Sie bei Ihren Hardware-Lieferanten?

A. F.: Uns fehlt noch die Integration von maschinell lernenden Inferenz-Beschleunigern als Standardperipherie. Aber das kommt mit einer neuen Generation von Prozessoren. Die meisten unserer Hardwarelieferanten bereiten sich bereits auf Edge Computing vor: Die neuesten Speicher entsprechen der Leistung der aktuellen Applikationsprozessoren, der Solid State Speicher erfüllt das Kostenziel des Marktes und die Peripheriegeräte werden wirklich für Prozessoren der neuesten Generation optimiert.

Welche Rolle spielt die Software?

A. F.: Edge Computing Hardware ohne die richtige Software ist nutzlos. Software ist der Schlüssel, um das Beste aus den neuen Peripheriegeräten herauszuholen, die Echtzeitverarbeitung zu optimieren, komplexe Kommunikations-Stacks zu implementieren, Sicherheit auf höchstem Niveau zu realisieren und die Interoperabilität zwischen verschiedenen Systemen zu gewährleisten. Wir haben sogar Software Partitionierung mit Cloud, Edge und Software-Stacks. Sie alle müssen präzise und zuverlässig zusammenarbeiten. Glücklicherweise gibt es ein ganzes Software-Ökosystem, das die neuen Design-Herausforderungen unterstützt, wobei ein relevanter Teil des Angebots frei zugängliche offene Software ist.

Wie unterstützt EBV seine Kunden beim Thema Edge Computing? Welche Services und Lösungen bieten Sie?

A. F.: Wir arbeiten sehr eng mit unseren Fertigungspartnern zusammen, um die neuesten Technologien in verschiedenen Anwendungen und Regionen auf den Markt zu bringen. Wir verfügen über technisches Fachwissen in Hard- und Software, um unsere Kunden mit technischer Beratung bei der Produktauswahl, über Live-Demonstrationen und Workshops und mit detailliertem technischem Support zu unterstützen. Wir helfen unseren Kunden so, die Produktentwicklung zu beschleunigen, technische Probleme zu lösen und das Design für eine erfolgreiche Fertigung zu optimieren.

Mit welchen Herausforderungen ist ein Hersteller konfrontiert, der sein Produkt smart machen will, also mit Edge -Computing Fähigkeiten ausstatten will?

A. F.: Sie müssen sich um Sicherheit, Interoperabilität zwischen mehreren Konnektivitäts- und Netzwerkstandards, Echtzeitverarbeitung, Remote Management und Reprogrammierung kümmern und ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Rechenleistung, Integration, Kosten und Stromverbrauch finden.

Welche Rolle spielen offene Strukturen bei der Weiterentwicklung von Edge Lösungen?

A. F.: Die neuesten offenen Hardwareplattformen und offenen Software-Ökosysteme bieten ein neues Maß an Transparenz, Nachhaltigkeit und Kostensenkung, von dem sowohl Systemhersteller als auch Endanwender profitieren, ohne Kompromisse bei Qualität und Zuverlässigkeit einzugehen. Es liegt in der gemeinsamen Verantwortung, die Instrumente zu verbessern, da jeder von den Entwicklungen profitieren kann.

Wie wird sich der Markt für Edge Lösungen weiterentwickeln? Was sind die großen Treiber dafür?

A. F.: Der Markt für Edge Lösungen wird als Folge der Erweiterung des IoTs, das durch Künstliche Intelligenz noch weiter gestärkt wird, sehr schnell wachsen. Wir können uns vorstellen, dass es zusammen mit einer steigenden Anzahl von Sensor- und Aktuatorknoten zu einem großen Einsatz von smarten Gateways kommen wird, die Edge Computing aufgrund verschiedener Vorteile implementieren:

Erstens reduzieren sie die Datenmenge, die in die Cloud geht, und verbessern die Bandbreite. Zweitens fließen nur noch ausgewählte Daten und Erkenntnisse in die Cloud – gemäß den datenschutzrechtlichen Anforderungen. Der dritte Vorteil ist die Möglichkeit, Entscheidungen und Aktionen in Echtzeit zu treffen, unabhängig von der Cloudverbindung und ohne unproduktive Wartezeiten. Und nicht zuletzt kann die Intelligenz über physische Dinge und Systeme dem Benutzer einen echten Mehrwert bringen.

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Dr. Charles Stark Draper, Jahrgang 1901, machte 1922 an der Stanford University den Bachelor in Psychologie. Anschließend wechselte er zum MIT, wo er 1926 den Bachelor of Science in technischer Elektrochemie erhielt. Im Jahr 1928 dann den Master of Science in Physik. Schlussendlich promovierte er im Jahr 1938 zum Doktor in Physik.

Lernen mit der Praxis

Draper war alles andere als ein Theoretiker, ein Nerd, trotz seines unbestreitbaren technischen Genies. Das zeigte sich bereits, als er sein Studium am MIT begann. Es gab wohl keinen anderen Studenten, der seine Professoren in einem Flugzeug mitnahm, um mit ihnen über Fragen der Aerodynamik zu diskutieren. Er war zudem Turniertänzer, Boxer und Basketballspieler. Auch als er Professor am MIT wurde und 1940 schließlich das MIT Instrumentation Laboratory gründete, folgte er konsequent seiner Überzeugung, dass man fortgeschrittene Ingenieurskunst nicht nur mit Büchern unterrichten kann, sondern auch anhand von Problemen aus der Praxis, die es zu lösen galt.

Mit dieser Philosophie entwarf er im Zweiten Weltkrieg ein System, das Gyroskope zur Stabilisierung von Flugabwehrgeschützen verwendete. Nach dem Krieg entwickelten er und seine Mitarbeiter ein Gyroskop-basiertes Navigationssystem, das „inertial guidance system”. In einem Testflug im Jahre 1953 hat dieses Navigationssystem ein Flugzeug ohne Bezugnahme auf äußere Landmarken und ohne Eingreifen eines Piloten sicher von Boston nach Los Angeles geleitet. Durch dieses Navigationssystem wurde Draper bekannt als „Vater der Inertialnavigation”. Charles Draper war bei dem Flug mit an Bord – auch das war typisch für ihn. Er vertraute seinen Entwicklungen vollkommen und wollte sie am liebsten selbst in der Praxis erleben.

Größtmögliche Motivation

Das galt auch für das Leitsystem der Apollo-Mission. Als ultimatives Vertrauensvotum meldete sich Draper freiwillig, um mit dem an seinem Institut entwickelten System zum Mond zu fliegen. In seinem Brief an die NASA schrieb er: „Ich weiß, dass mein Alter von 60 Jahren ein negativer Faktor bei der Prüfung meiner Anfrage ist, aber … Ich unterziehe mich gerne allen vorgeschriebenen körperlichen Untersuchungen und Tests und absolviere alle empfohlenen Trainingskurse.“ Natürlich wurde seine Anfrage abgelehnt, und Draper flog nie ins All. Doch spiegelt der Brief das außerordentliche Engagement wider, mit dem Draper sich für seine Technologien einsetzte. So schrieb er: „Wir von den Instrumentation Laboratories gehen mit Vollgas an das Apollo-Leitsystem. … Wenn ich bereit bin, mein Leben unseren Geräten anzuvertrauen, wird das ganze Projekt sicherlich die größtmögliche Motivation haben.“

Draper war nicht nur für seine motivierende Art bei den Mitarbeitern beliebt, sondern auch wegen seines Führungsstils. Er versammelte einige der hellsten Köpfe seiner Zeit in seinem Institut, brachte sehr gut ausgebildete, aber sehr unterschiedliche Menschen zusammen. Er war bekannt dafür, sie mit Aufgaben zu beauftragen, die völlig außerhalb ihrer Komfortzone und ihrer Erfahrungen lagen. Die Mitarbeiter sollten selbst herausfinden, was sie zu den Aufgaben beitragen könnten. Gleichzeitig ließ er sie aber auch an der langen Leine. Seine Mitarbeiter konnten verschiedene Themen und Bereiche ausprobieren, bis sie etwas gefunden hatten, in dem sie sich wohl fühlten. So schuf er Raum für die Kreativität jedes Einzelnen.

Erstes Embedded System der Welt

Draper schaffte es tatsächlich in relativ kurzer Zeit ein einwandfrei funktionierendes Navigationssystem für die Apollo-Mission zu realisieren. Aus der Sicht der Elektronik war der eigentliche Triumph dabei der Onboard-Rechner. Der Computer durfte nicht größer als ein Kubikfuß sein. Daher wurde er von Grund auf neu entwickelt, wobei die damals gerade auf den Markt gebrachten integrierten Schaltkreise verwendet wurden. Der Computer hatte eine Tastatur, mit der die Astronauten Fragen stellen und Daten eingeben konnten. Obwohl er nach heutigem Stand eine erstaunlich geringe Speicherkapazität hatte, erledigte er zuverlässig seine Arbeit. Dieser Leitrechner gilt heute als das erste „Embedded System“ der Welt.

Mit seiner „learning by doing“-Philosophie spiegelt Charles Stark Drapers Karriere eine der grundlegenden Veränderungen in der Wissenschaft des 20. Jahrhunderts wider. Die Transformation akademischer Forschung in die (Wirtschafts-) Praxis. In Anerkennung der Bedeutung von Drapers Karriere vergibt die US-amerikanische National Academy of Engineering seit 1988 den Charles Stark Draper Prize, einer der wichtigsten Preise für Ingenieure und in diesen Disziplinen ähnlich bedeutend wie ein Nobelpreis. Mit der Auszeichnung sollen innovative Ingenieurleistungen geehrt werden, die in der Praxis zum Wohlergehen und zur Freiheit des Menschen beitragen.

Der Apollo Guidance Computer – das erste Embedded-System

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Sechs Start-ups mit Edge Computing Power:

Platinen-Layout auf Knopfdruck

KI-Software für die Edge

Persönliches Klangerlebnis

„Sehen“ wie eine Fledermaus

Mühelos Heizkosten senken

Energieeffiziente Umgebungswahrnehmung

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