Arithmetische Schaltkreise spielen heute eine wesentliche Rolle in zahlreichen rechenintensiven Anwendungen - beispielsweise sind sie für Kryptographie und Künstliche Intelligenz essentiell. Benötigt werden diese arithmetischen Schaltkreise fast überall - und neben Schnelligkeit und Energieverbrauch ist es von zentraler Bedeutung, dass sie auch tatsächlich korrekt funktionieren. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ein Projekt zum vollautomatisierten Nachweis arithmetischer Schaltkreise über drei Jahre mit mehr als einer halben Million Euro.

Es gibt eine Vielzahl von arithmetischen Schaltkreisen, die ein breites Spektrum abdecken von trigonometrischen Funktionen bis zum Wurzelziehen für Fließkommazahlen. Trotz dieser Diversität können fast alle dieser komplexen Operationen auf vier Grundoperationen zurückgeführt werden: Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division. Um die gestellten Anforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch und Fläche der Entwürfe erfüllen zu können, sind eine Vielzahl von Architekturen vorgeschlagen worden. Diese Architekturen nutzen ausgefeilte Algorithmen, um verschiedene Implementierungsaspekte zu optimieren. Dadurch sind sie in der Regel stark parallelisiert und strukturell komplex, so dass es eine immense Herausforderung darstellt, die Korrektheit solcher Implementierungen arithmetischer Schaltungen zu gewährleisten.

Im Projekt VerA - beantragt von Rolf Drechsler und Daniel Große, sowie Christoph Scholl von der Universität Freiburg - wird eine voll automatisierte formale Methodik zur Verifikation entwickelt, die weit über bisherige simulationsbasierte und halbautomatische Ansätze hinausgeht, die nach wie vor den Stand der Technik bei der Verifikation arithmetischer Schaltkreise in der Industrie darstellen. Nur formale Verifikation ist in der Lage, strikte Korrektheitsgarantien für arithmetische Schaltkreise zu liefern. Vollautomatische Verfahren werden insbesondere deshalb benötigt, weil sich der Entwurf von Schaltkreisen mit arithmetischen Komponenten heutzutage nicht mehr nur auf die größeren Prozessorhersteller beschränkt. Sie werden auch von Anbietern mit eingebetteter Spezial-Hardware im Mittelstand genutzt. Diese können sich häufig große Teams spezialisierter Testingenieurinnen und -ingenieure nicht leisten, die in der Lage sind, halbautomatische Theorembeweise zu führen. Durch die DFG-Förderung ist es nun möglich, für dieses seit langer Zeit bekannte Problem vollautomatische Lösungen zu erarbeiten. Für die zu lösende Verifikationsaufgabe werden sogenannte Polynome verwendet, d.h. Summen, deren Terme aus numerischen Konstanten und Variablen bestehen. Bereits 2018 konnte unsere Arbeitsgruppe zeigen, wie millionenfach auftretende redundante Terme frühzeitig beseitigt werden können, womit der Korrektheitsnachweis für große Multiplizierer erstmals gelang. Die zugehörige Forschungsarbeit wurde im November 2018 mit dem Best Paper Award auf der International Conference on Computer Aided Design (ICCAD), einer der führenden Tagungen auf dem Gebiet des Schaltkreisentwurfs, ausgezeichnet. An diese Ergebnisse knüpft nun das Projekt VerA an und fokussiert auf die vollautomatische Verifikation von industriellen Multiplizierern und Dividierern.

Im Oktober 2019 wurde im Fachbereich 3 der Universität Bremen das Institut „Data Science Center” gegründet. Initiatoren sind neben Rolf Drechsler (designierter Sprecher) und Cornelia Große (ebenfalls Arbeitsgruppe Rechnerarchitektur) auch Sebastian Maneth (Arbeitsgruppe Datenbanken), Andreas Breiter und Juliane Jarke (beide Arbeitsgruppe Informationsmanagement).

Neue Technologien und die Digitalisierung eröffnen zahlreiche Möglichkeiten, mit Daten zu arbeiten und Wissen aus Daten zu extrahieren. In diesem Sinne ermüglicht Data Science, mit Hilfe von Techniken aus der Informatik Erkenntnisse aus strukturierten oder unstrukturierten Daten zu gewinnen. Die Weiterentwicklung von Zukunftstechnologien und die Stärkung von Kompetenzen im Bereich Data Science sind zur Erhaltung und Steigerung unserer Wettbewerbsfähigkeit von entscheidender Bedeutung.

Daten aufzubereiten, zu analysieren, sicher zu speichern und zu archivieren, um sie für eine Weiternutzung in der Forschung zugänglich zu machen, sind dabei nur Teilaspekte: Viele Forschungsgebiete in verschiedensten Disziplinen werden durch die Digitalisierung verändert und neu geformt. Wissenschaft insgesamt wird in immer stärkerem Maße datengetrieben und das Identifizieren von regelhaften Abläufen spielt in vielen Forschungsfeldern eine bedeutende Rolle. Neue Entwicklungen wie beispielsweise Maschinelles Lernen und Deep Learning eröffnen in zahlreichen Anwendungsgebieten mächtige und umfassende Forschungsstrategien.

In der Breite der gesamten Universität entstehen eigene wissenschaftliche Subdisziplinen, in denen Verbindungen zwischen inhaltlichen Themen und technologischen Entwicklungen hergestellt werden. Ziel des Data Science Center Bremen ist es, diese Kompetenzen zu bündeln und aufzubereiten, um auf diese Weise sowohl Forschung in der Spitze als auch Anwendung in der Breite voranzutreiben. Wir freuen uns, dass mit der Gründung des „Data Science Centers” ein erster bedeutender Schritt in diese Richtung unternommen werden konnte.

Cybersecurity und Datenschutz zählen zu den wichtigsten Themen unserer Zeit. Die bremische Initiative „NorShiP”, an der die Universität Bremen beteiligt ist, bündelt künftig in Norddeutschland die Kompetenzen zu Forschung und Ausbildung in diesen Bereichen. Die Abkürzung NorShiP steht für „North-German Research School for Information Security, Computer Forensics and Privacy”. Die NorShiP-Schirmherrschaft hat die Senatorin für Wissenschaft, Häfen, Justiz und Verfassung, Dr. Claudia Schilling, übernommen.

Gemeinsam mit anderen Akteuren und Partnern aus Bremen und Bremerhaven ist auch die Arbeitsgruppe Rechnerarchitektur beteiligt. Ziel ist es, die vielfältigen norddeutschen Kompetenzen zu Themen rund um die Entwicklung und Nutzung sicherer IT zu bündeln, und als eine Art „Cybersecurity- und Datenschutz-Leuchtturm” im Norden gemeinsame Ideen und Projekte zu verwirklichen. Im Rahmen von NorShiP werden nicht nur innovative und interdisziplinäre Lehr- und Lernangebote sowie Möglichkeiten zur berufsbegleitenden und forschungsnahen Aus- und Weiterbildung entwickelt, sondern darüber hinaus Schnittstellen zur regionalen bremischen IT-Wirtschaft geschaffen. Beispielsweise können sich Studierende verschiedener Studiengänge an Hochschulen aus Bremen - insbesondere in der Rechtswissenschaft und der Informatik - an Exkursionen zu IT-Unternehmen und Forschungseinrichtungen in Bremen und im Bremer Umland beteiligen und sich ein Bild über die Arbeit vor Ort machen.

Das so geschaffene Expertennetzwerk zwischen Forscherinnen und Forscher, Praktikerinnen und Praktikern sowie Studierenden vermittelt wertvolle Kontakte zur beruflichen Orientierung und zur Zusammenarbeit mit bremischen Wirtschaftsbetrieben und eröffnet darüber hinaus neue Karrierewege sowie Einstiegsmöglichkeiten für verschiedene Berufe in der IT.

Weitere Informationen: https://norship.uni-bremen.de/

Am Wissenschaftsstandort Bremen arbeitet man für hervorragende Innovationen gern zusammen - so wie in der Materialforschung, wo sich mit dem MAPEX Center for Materials and Processes an der Universität Bremen ein starkes Netzwerk etabliert hat. Dieses Konsortium hat nun 2,2 Millionen Euro bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eingeworben, um eine Anlage zum dreidimensionalen Laser-Auftragschweißen für die Hochdurchsatzentwicklung neuer Legierungen und Verbundwerkstoffe aufzubauen. Diese neue Anlage bietet ganz neue Möglichkeiten zur Erforschung metallischer Werkstoffe: Gleich mehrere Pulverförderer kommen parallel zum Einsatz, um verschiedene Metalle in einem Arbeitsgang zu nutzen und schnell viele verschiedene Proben herstellen zu können. So werden effizient neuartige Legierungen mit bisher unerreichten Eigenschaften entwickelt und hergestellt oder Verbundmaterialien gedruckt. Ziel ist die Nutzung und Evaluation der neuen Möglichkeiten dieser 3D-Drucktechnologie für eine schnelle, zielgerichtete Materialentwicklung. An dem erfolgreichen Antrag im Rahmen der DFG Großgeräteinitiative „Laser-Auftragschweißen für Hochdurchsatzuntersuchungen und additive 3D-Fertigungen komplexer Legierungen und Verbundwerkstoffe” war neben weiteren sechs MAPEX Wissenschaftlern auch Rolf Drechsler beteiligt.

• Li Ma, Infigoo GmbH, Bremen, 17.12.
• Andreas Burblies, Allianz-Sprecher und Leiter der Geschäftsstelle, c/o Fraunhofer IFAM, Bremen, 24.01.
• Yashaswini Shivashankar, TU Kaiserslautern, 03.03.
• Dr. Chandan Bandyopadhyay, Indian Institute of Engineering Science and Technology (IIEST), Shibpur, verbringt ein Forschungsjahr in unserer Arbeitsgruppe.