Digitale Bausteine

Studierende mit Interesse an technischer Informatik lernen jetzt auch, digitale Systeme zu entwickeln. Ein neuer Chip macht's möglich.

»Wir haben zehn Arbeitsplätze eingerichtet, wo Studenten mit Vorkenntnissen aktuelle Entwurfstechniken digitaler Systeme kennen lernen können«, berichtet Professor Manfred Schimmler vom Institut für Informatik. Im Mittelpunkt der Lehrveranstaltung stehen die Programmiersprache VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) und spezielle Hardware-Bausteine, die so genannten FPGA-Chips.

Das FPGA (Field Programmable Gate Array) ist ein relativ neuer, programmierbarer Chip, der zum Aufbau digitaler, logischer Schaltungen dient. Er besteht aus einzelnen Logikblöcken, die in einer regelmäßigen Struktur (Array) angeordnet sind. Die Funktionen der einzelnen Logikblöcke sind jedoch nicht von vornherein festgelegt, sondern frei konfigurierbar. Schimmler: »Das sind Chips, die man für den individuellen Einsatz programmieren kann. Oder anders gesagt: Man hat einen technisch vorgefertigten Chip, dessen Funktionalität jeweils gezielt auf die beabsichtigte Anwendung hin eingerichtet wird.«

Bisher war es üblich, beim Bau hochintegrierter elektronischer Schaltungen die einzelnen erforderlichen Funktionselemente auf dem Chip zusammen zu schalten und fest zu verdrahten. Diese »Application Specific Integrated Circuits« (ASICs) haben zwar den Vorteil, in der endgültigen Serienproduktion besonders kostengünstig zu sein, aber der Entwurfsprozess für einen ASIC ist langwierig und fehlerträchtig. Zudem ist die Funktion des resultierenden Chips nach der Produktion nicht mehr änderbar. »Heute kann man ein FPGA nehmen und es mit VHDL in sehr viel kürzerer Zeit programmieren, so dass es hinterher die Funktion annimmt, die man von der Schaltung haben möchte«, erklärt der Kieler Professor für Informatik. Und der Chip könnte Sekunden später eine andere Funktion annehmen. Dann müsste man ihn nur umkonfigurieren. Man kann den selben FPGA zum Beispiel in der Bildverarbeitung zunächst für die Bildvorverarbeitung benutzen und kurz danach als Bildfilter.

Der Gedanke dabei ist, dass mit den Methoden des Programmentwurfs nicht nur Software, sondern auch Hardware erstellt werden kann. »Der Hardwareentwurf ist sonst sehr viel schwieriger als der Softwareentwurf, da er unbedingt fehlerfrei sein muss. Wenn der Entwurf eines ASICs in die Fertigung geht, dann sind sehr viele aufeinander folgende Prozessschritte erforderlich. So vergehen in der Regel Monate, bevor ein eventuell enthaltener Fehler im Test entdeckt werden kann.« Die neuen digitalen Bausteine sind also wichtig für die Entwicklung. Mit Hilfe von FPGAs kann man Prototypen schnell und risikoarm realisieren, bevor sie in großer Stückzahl gefertigt werden. »Studenten wollen im Arbeitsleben solche Entwicklungsarbeiten machen. Sie sollen Hardware- und Softwaresysteme entwerfen können. Deshalb ist dieses Medium, mit dem sie den Entwurf schnell und kostengünstig realisieren können, gerade für sie interessant«, betont Schimmler. (ne)

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