Prof. Dr. Heiko Falk

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Prof. Dr. Heiko Falk

Technische Universität Hamburg
Institute of Embedded Systems

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Bei der Entwicklung eingebetteter Systeme spielt insbesondere der stets steigende Energiebedarf durch immer komplexer werdende Anwendungsumgebungen eine tragende Rolle. Ob verbreitete Unterhaltungselektronik, anspruchsvolle Satellitensysteme oder das vielfältige Internet der Dinge: Die ansteigenden Anforderungen neuer Technologien gehen zwangsläufig mit einem erhöhten Energieverbrauch einher, wodurch Fragen nach der Energiesenkung eingebetteter Systeme essentiell werden. Passende Antworten hierauf müssen auf dem Weg unserer Gesellschaft hin zu einer grünen und nachhaltigen IT-Infrastruktur gefunden werden. Dementsprechend forscht Professor Falk an der Technischen Universität Hamburg zu ‚Embedded Systems Design‘ und erarbeitet aktuell innerhalb seines Forschungsprojekts ‚TeamPlay‘ eine Software-Toolbox, die es Entwicklerinnen und Entwicklern ermöglicht, parallellaufende Software zu entwerfen, die in Echtzeit reagiert, zuverlässig ist und vor allem – energieeffizient arbeitet. Durch diese Toolbox lässt sich Software für eingebettete Systeme entwickeln, die den Energieverbrauch sowie die Leistungsfähigkeit eines eingebetteten Systems selbstständig senkt, wodurch das System obendrein effizienter wird. Professor Falk testet die Toolbox derzeit in realen Anwendungskontexten wie Satelliten, Drohnen, der ‚Computer Vision‘, im medizinischen Bereich oder auch in der Cybersicherheit.

Veränderungen in eingebetteten Systemen: Software sticht Hardware

Neben der eigentlichen Entwicklung eingebetteter Systeme stellen Veränderungen innerhalb dieser Systeme, die beispielsweise durch gestiegene Sicherheitsanforderungen notwendig werden, ein Risiko dar: Insbesondere bei Hardwareumstellungen lassen sich oftmals Folgen und Kosten schwer kalkulieren. Professor Falk konzentriert sich deshalb in seiner Forschung auf die Entwicklung von Compilern für eingebettete Systeme sowie insbesondere deren Code-Optimierungen, da sich hochoptimierter Code für eingebettete Software flexibler und kostengünstiger auf Veränderungen anpassen lässt, ohne die Hardware eines eingebetteten Systems austauschen zu müssen. Dank Professor Falks Compiler wird die Komplexität während der Übersetzung von Quellcode in ausführbaren Code durch die Berücksichtigung der relevanten Parameter ‚Worst-Case Execution Time‘, Codegröße und Energieverbrauch wesentlich reduziert. Außerdem lässt sich – im Gegensatz zu bereits existierenden Standard-Compilern – der genaue Optimierungsvorgang sowohl darstellen als auch flexibel gestalten. So arbeitet Professor Falk mit seinem Team an der kontinuierlichen Verbesserung von Compilern und erforscht zudem gegenwärtig neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des Maschinellen Lernens.

Transparente Optimierungen statt ‚Black Box‘ Verbesserungen

Seit über 15 Jahren forscht Professor Falk in der Compiler-Entwicklung für eingebettete Systeme und entwickelt effiziente Softwareoptimierungen im Kontext von ‚Embedded Systems Design‘. Professor Falk ist aus diesem Grund sehr an der Weiterentwicklung von Compilern und der Anwendung seiner Toolbox durch Industriekooperationen interessiert – unabhängig davon, ob es sich um ein regionales KMU oder einen globalen Konzern handelt. In der Zusammenarbeit legt Professor Falk einen besonderen Wert auf die Dokumentation von Software-Anforderungen sowie auf daraus resultierende Garantien für Software-Eigenschaften. In seinen Projekten wird transparent dargelegt und berechnet, durch welche Faktoren Verbesserungen realisiert wurden sowie welche Parameter wie stark durch die Optimierung beeinflusst wurden. Im Gegensatz zu sogenannten ‚Black Box‘ Verbesserungen möchte Professor Falk einerseits einen vollständigen Überblick über Optimierungsprozesse bieten und andererseits den von ihm entwickelten Compiler sowie seine Toolbox für sicherheits-, energie- und zeitkritische eingebettete Systeme einsetzen.

Aktuelle
Forschungsprojekte /
Aktivitäten

Time, Energy and Security Analysis for Multi-/Many-Core heterogeneous Platforms (TeamPlay)

Das TeamPlay-Projekt setzt sich mit folgender Fragestellung auseinander: Wie kann der Energieverbrauch für parallele Systeme effektiv gesteuert werden, während gleichzeitig das richtige Gleichgewicht mit anderen wichtigen Software-Metriken wie beispielsweise Zeit oder Sicherheit gewahrt bleibt? Professor Falk forscht an einer Toolbox zur Entwicklung hochparalleler Software für Niedrigenergiesysteme, wie es das Internet der Dinge, cyber-physikalische Systeme etc. erfordern. Der TeamPlay-Ansatz ermöglicht es Programmen, die eigene Reaktionsgeschwindigkeit, eigenen Energieverbrauch, eigene Sicherheit usw. direkt zu regulieren und ermöglicht es den Entwicklerinnen und Entwicklern, über Eigenschaften ihrer Software auf Quellcode-Ebene zu diskutieren. Das Projekt vereint führende industrielle und akademische Expert:inn:en für Parallelität, Energiemodellierung/-transparenz, nicht-funktionale Objektanalyse und Sicherheit. Die Ergebnisse werden anhand von industriellen Anwendungsfällen aus den Bereichen ‚Computer Vision‘, Satelliten, Flugdrohnen, Medizin und Cybersicherheit ausgewertet.

Automated Generation of Benchmark Programs for the Evaluation of Analyses and Optimizations for Hard Real-Time Systems (haRTStone)

Viele eingebettete Systeme sind sicherheitskritische Echtzeitsysteme, die vorgegebene Fristen einhalten müssen (z.B. Airbag- oder Flugsteuerungssysteme). Bei der Konzeption solcher Echtzeitsysteme ist es von größter Bedeutung sicherzustellen, dass alle Aufgaben eines Systems die vorgegebenen Zeiten einhalten. Zu diesem Zweck sind spezielle Timing-Analysen erforderlich, die das Worst-Case Verhalten eines Systems untersuchen. Für den Fall, dass Zeiten nicht eingehalten werden, müssen Optimierungen vorgenommen werden, um den Code des Systems so zu modifizieren, dass die Zeitvorgaben dennoch eingehalten werden. Heutzutage stützt sich die Evaluierung der Zeiten typischerweise auf ein Benchmarking. Die derzeit verwendeten Benchmarks sind jedoch sehr begrenzt und nicht ausreichend, um eine fundierte und wissenschaftliche Bewertung durchzuführen, insbesondere dann nicht, wenn parallele Multitasking-Systeme betrachtet werden.  Professor Falk forscht an der Realisierung eines flexiblen und parametrierbaren Benchmark-Generators, der automatisiert und reproduzierbar Benchmark-Programme erstellt.

Multi-Criterial Code Optimization for Embedded Hard Real-Time Systems (Multi-Opt)

Eingebettete Systeme unterliegen neben Vorgaben zu deren Zeitverhalten oftmals noch weiteren Ressourcenbeschränkungen. Batteriebetriebene Systeme verfügen nur über ein beschränktes Energiebudget und müssen daher möglichst energiesparend arbeiten. Verletzt ein System eine oder mehrere Ressourcenbeschränkungen, muss entweder die Hardwareplattform modifiziert oder der Ressourcenbedarf der Software gesenkt werden. Dieses Projekt zielt darauf ab, eingebettete Softwaresysteme auf Compilerebene im Hinblick auf mehrere unterschiedliche Ressourcenbeschränkungen zu optimieren. Bei der Übersetzung von Quellcode in ausführbaren Code ist es der Zweck des Compilers, optimierten Code zu generieren, der schließlich alle Einschränkungen in Bezug auf mehrere Designkriterien erfüllt. Aktuelle Compiler sind jedoch nicht in der Lage, dies zu erreichen. In diesem Projekt wird der Fokus auf die drei im Bereich der eingebetteten Systeme weit verbreiteten kritischen Entwurfsparameter ‚Worst-Case Execution Time‘, Codegröße sowie Energieverbrauch gelegt.

Zukunftsvision

Die Zukunftsvision von Professor Falk für den Bereich Embedded Systems ist eine dezentralisierte Künstliche Intelligenz, die personalisiert ist und sich lokal auf einem Gerät befindet. Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Falk möchte die Optimierung solcher Geräte mittels innovativer Compiler unter Berücksichtigung der Kernparameter Energieverbrauch, Echtzeitfähigkeit sowie Speichernutzung untersuchen. Die KI könnte gezielt auf die Besonderheiten des jeweiligen Geräts eingehen, sodass nicht nur Prozesse optimiert werden könnten, sondern auch die Benutzerfreundlichkeit verbessert werden würde.

Schwerpunkte

  • Embedded Systems
  • Massiv-Parallele Multitasking Software- und Multicore Hardware-Systeme
  • Optimierung von autonomen und sicherheitskritischen Systemen
  • Compiler für eingebettete Systeme
  • Entwicklung von Prozessorarchitekturen
  • Mikrotechnik
  • Mikroelektronik

Kooperationen

  • Embedded Systems Week
  • European Excellence Network on High-Performance Embedded Architecture and Compilation (HiPEAC)
  • International Conference on Design, Automation and Test in Europe (DATE)
  • ACM (Association for Computing Machinery)
  • International Conference on Embedded Software (EMSOFT)
  • International Conference on Compilers, Architecture, and Synthesis for Embedded Systems (CASES)
  • International Conference on Hardware/Software Codesign and System Synthesis (CODES+ISSS)

Interessiert an

  • Anwendung sowie die nutzerdefinierte Weiterentwicklung des eigenen (WCC) Compilers
  • Verbesserung von Embedded Systems im Hinblick auf Echtzeitfähigkeit, Energieverbrauch und Speichernutzung
  • Innovative Hardware und Betriebssysteme
  • Programmierung für Embedded Systems

Professor Falk arbeitet anwendungsbezogen im Technologiebereich mit Unternehmen aus der Halbleiterindustrie, der Medizintechnik, der Automobilindustrie, Maritimen Logistik sowie der Luft- und Raumfahrt zusammen. Ob globaler Großkonzern oder regionales KMU, Professor Falk verfügt über langjährige Erfahrung in der Forschung zu Embedded Systems und in der Kooperation mit universitären Spin-Offs sowie mit Unternehmen.

Digital Leadership

Ein Gespräch über das Silicon Valley Mindset, Innovation durch Kooperation...

Wissen entdecken, Expertise finden &

gemeinsam Ideen verwirklichen