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Group of Computer Architecture / AGRA | Computer Science | Faculty 03 | University of Bremen

URANOS


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Project URANOS

Analysis Methods for the Design of Application-Robust Nanoelectronic Systems (URANOS)

General information about the cooperative project

BMBF funded by BMBF
within the initiative Ekompass ("Entwurfsplattformen für komplexe angewandte Systeme und Schaltungen der Mikroelektronik")
research funding number: 01M3075
project support: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
maturity: term of 3 years
beginning of the project: July 1th 2005



Objectives and Duties

Objectives
In the URANOS project we investigate and develop specific approaches to design robust micro- and nano-electronic systems. These systems should operate reliably and endure despite uncertainties within the operating conditions. Mainly, our R&D work aims at analysis-based EDA methods which are capable to be applied in an early design stage and are qualified to pre-record user-specific factors of influence in the later application of a system.

With the currently available approaches, such factors of influence are usually only revealed during the field test of the manufactured chip under real conditions. Consequently, an incorrect system behavior showing up as late as even in the stage of field tests can not be prevented and expensive design iterations are necessary. However, cost and time are expected to be reduced with the introduction of URANOS results, as the consideration of operating conditions in the design process is improved.

Duties
With the full potential of innovative production technologies in nano-electronics, highly complex and powerful systems-on-chips (SoC) with an immense range of functions can be produced. Inevitably, due to the enormous quantity of design data, there are information gaps during the SoC design process. In addition to this, the smaller structures of the nano-electronic chips are more sensitive, for example regarding the change of operating conditions. Moreover, maintaining profit in the cost-intensive SoC production can only be ensured by targeting a large variety of potential applications that the chip can meet. But envisioned applications are expected to be highly intricate requiring communication of multiple interrelated components (such as from different manufactures at the worst). In total, the number of origins of errors within the nano-electronic SoC design increases dramatically. Consequently, within certain application constellations, failures may occur in the form of unexpected interrupts, incorrect instructions, and/or wrong modes. Possible causes are random events, signs of aging, incorrect circuit specifications (those that do not consider all aspects of an application), and non standard-conforming operating conditions.
However, the challenge is to design nano-electronic systems which are robust against the stated application-specific uncertainties. This requires the incorporation of information from application engineering (and thus in the long run from user demands) into early design phases. On this basis correct design decisions with special consideration of the application context of the design can be considered and accounted for.

Projektstruktur

(only available in german)
In drei eng verzahnten Arbeitspaketen werden Analysemethoden und Abstraktionswege für Entwurfsparameter erforscht, entwickelt und angewendet:

Arbeitspaket 1

Qualifizierung von Applikationsszenarien und Anforderungsprofilen / Management der Systemanforderungen
AP1 wird ein umfassendes Anforderungsprofil erheben, das die Applikationsumgebung möglichst präzise spezifiziert. Hierzu werden bestehende Anwendungsumgebungen hinsichtlich ihrer System- und Zertifizierungsanforderungen untersucht und Methoden zur Transformation dieser Anforderungen in die Ebene des Systementwurfs entwickelt.

Arbeitspaket 2

Zuverlässigkeitsgetriebene Analyse für den Entwurf sicherheitskritischer Anwendungen
Auf Basis der in AP1 transformierten Anforderungsprofile werden in zwei weiteren AP darauf adaptierte Analysemethoden erforscht und entwickelt. Wesentlicher Inhalt von AP2 sind Analyseansätze für den Entwurf sicherheitskritischer Anwendungen, d.h. von Anwendungen, die sich auch nach längerer Betriebsdauer robust gegenüber dynamischen Fehlern verhalten. Hierbei sollen durch die Integration von Erkennungsmechanismen und Redundanzen im Entwurf dynamische Systemveränderungen und Blockierungen von Systemteilen vermieden werden. Ein weiterer Beitrag zielt auf die Verhinderung von Systemabstürzen aufgrund partieller Ausfälle regulärer Strukturen (z.B. RAM, SRAM).

Arbeitspaket 3

Analysemethoden für unsichere Anwendungsbedingungen
Im Unterschied zu AP2 erforscht AP3 Analysezugänge für unsichere, also unbekannte, unvollständig spezifizierte oder nicht spezifikationskonforme Anwendungsbedingungen. Das schließt den Ein- und Ausbau spezieller Auswertefunktionalität und Analyseumgebungen (z.B. Fehlerinjektionsstrategien, Aufbau einer virtuellen Applikationsumgebung), aber auch die Erweiterung bestehender Verifikationsmethoden (z.B. neue Constraint-Solver) ein. Um den erfolgreichen Einsatz der neuen Konzepte zu gewährleisten, sind diese von einem angepassten und verbesserten Entwurfsmanagement (u.a. neue Entwurfsregeln) zu begleiten.


URANOS-Team

URANOS Team
Gruppenfoto zum 1. URANOS-Review am 26.10.2006 in Hannover (Foto: C. Hansen)

Projekt partners

Partners from industry
AMD Saxony, Infineon, Silicon Image

Universities
TU-Chemnitz (SSE), TU-Chemnitz (TI), Uni Trier, Uni Bremen

Research institutes
Fraunhofer-Gesellschaft (IIS/EAS), FZI

Partner


2005    2006    2007    2008   

2005

H.-J. Brand, St. Rülke: "URANOS: Analysemethoden für den Entwurf anwendungsrobuster nanoelektronischer Systeme", newsletter edacentrum 03/2005


2006

G. Fey, S. Safarpour, A. Veneris, R. Drechsler, "On the Relation Between: Simulation-based and SAT-based Diagnosis", Design, Automation and Test in Europe (DATE), Munich, 2006

G. Fey, D. Große, R. Drechsler: "Avoiding False Negatives in Formal Verification for Protocol-Driven Blocks", Design, Automation and Test in Europe (DATE), Munich, 2006

D. Große, R. Siegmund, R. Drechsler: "Processor Verification", in Customizable and Configurable Embedded Processors, P. Ienne and R. Leupers (eds.), Elsevier, 2006

A. Viehl, O. Bringmann, W. Rosenstiel: "Virtual Prototyping und frühe Evaluierung von Systems-on-Chip mit UML2 und SysML", GI/ITG/GMM Workshop für Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen, Dresden, 2006

A. Viehl, T. Schönwald, O. Bringmann, W. Rosenstiel: "Formal Performance Analysis and Simulation of UML/SysML Models for ESL Design", Design, Automation and Test in Europe (DATE), Munich, 2006

D. Große, U. Kühne, R. Drechsler: "HW/SW Co-Verification of Embedded Systems using Bounded Model Checking", Great Lakes Symposium on VLSI (GLSVLSI), 2006

H.-J. Brand, St. Rülke: "URANOS: Analysemethoden für den Entwurf anwendungsrobuster nanoelektronischer Systeme", Vortrag Ekompass-Workshop 2006, 16.-17. Mai 2006, Hannover

D. Große, J. Langer, R. Beckert, H. Süße, E. Fehlauer, F. Rogin, F. Dresig, C. Haufe, T. Berndt: "Analysemethoden für unsichere Anwendungsbedingungen", Poster Ekompass-Workshop 2006, 16.-17. Mai 2006, Hannover

A. Viehl, O. Bringmann, W. Rosenstiel: "Modellierung und Konformitätsprüfung von Systemanforderungen", Poster Ekompass-Workshop 2006, 16.-17. Mai 2006, Hannover

W. Hardt, A. Meisel: "Zuverlässigkeitsgetriebene Analyse für den Entwurf sicherheitskritischer Anwendungen", Poster Ekompass-Workshop 2006, 16.-17. Mai 2006, Hannover

M. Minor, D. Schmalen, A. Koldehoff: "Kontexterfassung und agile Workflow-Techniken für das Anforderungsmanagement", Poster Ekompass-Workshop 2006, 16.-17. Mai 2006, Hannover

S. Laemmermann, R. Weiss, J. Ruf, T. Kropf, W. Rosenstiel: "Automatic Generation of Verification Properties for SoC Design from SysML-Diagrams", 3rd UML for SoC Design Workshop, Design Automation Conference DAC, 2006

Fehlauer, E.; Rülke, St.; Berndt, Th.; Dresig, F.:,Ein Konzept zur bibliotheksbasierten Fehlerinjektion im SoC-Entwurf", 1st Cooperation Workshop of Computer Science, 20./21.10.2006, Cottbus

Mattern, N.; Berndt, Th.; Tischer, F.: "Untersuchung realer Anwendungsszenarien und on-chip Monitoring Methoden", URANOS-Workshop Anwendungsrobuster Entwurf nanoelektronischer Systeme, 26.10.2006, Hannover

Rogin, F.; Fehlauer, E.; Rülke, St.: "Validation fehlerhafter Anwendungsbedingungen durch analysebasierte Integration von Assertion Modulen und Injektion vordefinierter Fehlerzellen", URANOS-Workshop Anwendungsrobuster Entwurf nanoelektronischer Systeme, 26.10.2006, Hannover

Große, D.; Drechsler, R.: "Verifikation mit Constraint-gesteuerter Zufallssimulation", URANOS-Workshop Anwendungsrobuster Entwurf nanoelektronischer Systeme, 26.10.2006, Hannover

Fross, D.; Langer, J.; Jerinic, V.; Heinkel, U.; Dresig, F.: "XML-basierter integrierter Spezifikationsflow mit Modellgenerierung", URANOS-Workshop Anwendungsrobuster Entwurf nanoelektronischer Systeme, 26.10.2006, Hannover

Kühne, U.; Große, D.; Drechsler, R.: "Complete Formal Verification of Multi Core Embedded Systems using Bounded Model Checking", Fifth IEEE Dallas Circuits and Systems Workshop, pp. 147-150, 2006

Mirjam Minor, Andreas Koldehoff, Daniel Schmalen, and Ralph Bergmann. Flexible Workflows for Knowledge Management in the Digital Design. In Martin Schaaf, and Klaus-Dieter Althoff, editors, /LWA 2006 Lernen - Wissensentdeckung - Adaptivität, 9.-11.10.2006 in Hildesheim/, pages 215 -- 219, 2006, Universität Hildesheim.

Mirjam Minor, Andreas Koldehoff, Daniel Schmalen, and Ralph Bergmann. Flexible Workflows for Digital Design in the Nano Era. In Barbara Weber, and Jan Mendling, editors, /Proceedings of the Fifteenth IEEE International Workshop on Enabling Technologies: Infrastructure for Collaborative Enterprises (WETICE 2006), Workshop ProFlex 2006, June 26 - 28, Manchester, UK/, pages 273 - 278, 2006, IEEE Computer Society, Los Alamitos, California.


2007

Große, D.; Ebendt, R.; Drechsler, R.: "Improvements for Constraint Solving in the SystemC Verification Library", Great Lakes Symposium on VLSI (GLSVLSI), 2007

Große, D.; Kühne, U.; Drechsler, R.: "Estimating Functional Coverage in Bounded Model Checking", Design, Automation and Test in Europe (DATE), 2007

Best Paper

Große, D.; Peraza, H.; Klingauf, W.; Drechsler, R.: "Measuring the Quality of a SystemC Testbench by using Code Coverage Technqiues", Forum on specification & Design Languages (FDL), 2007.

Kühne, U.; Große, D.; Drechsler, R.: "Improving the Quality of Bounded Model Checking by Means of Coverage Estimation", IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI (ISVLSI '07), pp. 165-170, 2007

Große, D.; Jerinic, V.; Langer, J.; Beckert, R.; Fehlauer, E.; Rogin, F.; Rülke, St.; Brand, H.-J.; Dresig, F.; Haufe, C.; Berndt, T.: "Analysemethoden für unsichere Anwendungsbedingungen - Beiträge von AMD Fraunhofer IIS/EAS, TU Chemnitz und Uni Bremen zu Arbeitspaket 3", Poster, edaWorkshop, 2007

Brand, H.-J.; Rülke, St.; Koldehoff, A.; Hufeld, K.; Dresig, F.: "Analysemethoden für unsichere Anwendungsbedingungen - URANOS-Projektübersicht", Poster, edaWorkshop, 2007

Alexander Viehl, Oliver Bringmann, Wolfgang Rosenstiel: Erfassung und Bewertung formal beschreibbarer Systemanforderungen im Anwendungskontext; Vortrag Kooperationsworkshop "SystemPlanning"; 30.11.2006; Hannover

Björn Sander, Oliver Bringmann, Timo Schönwald, Jürgen Schnerr, Wolfgang Rosenstiel: "Applikationsspezifische Zuverlässigkeitsbewertung von Multiprocessor Systems-on-Chip auf Systemebene"; Fachtagung "Zuverlässigkeit und Entwurf"; 26.-28.3.2007; München

Björn Sander, Oliver Bringmann, Wolfgang Rosenstiel: "Temperaturabhängige Zuverlässigkeitsbetrachtungen auf Systemebene"; Vortrag; Fach- und Kooperationsworkshop "Technologie und deren Auswirkung"; 11.5.2007, Dresden

Alexander Viehl, Markus Schwarz, Oliver Bringmann, Wolfgang Rosenstiel: "Ein hybrider Ansatz zur Bewertung von Performanz und Leistungsverbrauch auf Systemebene"; Beitrag im Tagungsband; edaWorkshop 2007; 19.-20.6.2007; Hannover

Alexander Viehl, Markus Schwarz, Oliver Bringmann, Wolfgang Rosenstiel: "A Hybrid Approach for System-Level Design Evaluation; Buchbeitrag"; Embedded System Design: Topics, Techniques and Trends; edited by Achim Rettberg; Mauro C. Zanella, Rainer Dömer, Andreas Gerstlauer, Franz Rammig

http://www.siliconimage.com/news/press/detailpressrelease.aspx?id=424

Mirjam Minor, Andreas Koldehoff, Daniel Schmalen und Ralph Bergmann, "Flexible Workflows for Knowledge Management in the Digital Design", in Martin Schaaf und Klaus-Dieter Althoff, Editors, LWA 2006 Lernen - Wissensentdeckung - Adaptivität, 9.-11.10.2006 in Hildesheim, S. 215 - 219, 2006, Universität Hildesheim.

Mirjam Minor, Andreas Koldehoff, Daniel Schmalen, and Ralph Bergmann. Configurable Contexts for Experience Management. In Norbert Gronau, editor, /4th Conference on Professional Knowledge Management - Experiences and Visions/, volume 2, pages 119 - 126, Potsdam, March 2007, University of Potsdam, GITO-Verlag Berlin.

Mirjam Minor, Daniel Schmalen, Andreas Koldehoff, and Ralph Bergmann. Structural adaptation of workflows supported by a suspension mechanism and by case-based reasoning. In Sumitra Mitra Reddy, editor, /Proceedings of the 16th IEEE Internazional Workshop on Enabling Technologies: Infrastructure for Collaborative Enterprises (WETICE'07), June 18 - 20, 2007, Paris, France/, pages 370 - 375, 2007, IEEE Computer Society, Los Alamitos, California.

Mirjam Minor, Alexander Tartakovski, and Ralph Bergmann. Representation and Structure-based Similarity Assessment for Agile Workflows. In Rosina O. Weber, and Michael M. Richter, editors, /Case-Based Reasoning Research and Development, 7th International Conference on Case-Based Reasoning, ICCBR 2007, Belfast, Northern Ireland, UK, August 2007, Proceedings/, LNCS 4626, pages 224 - 238, 2007, Springer.

Mirjam Minor, Daniel Schmalen, and Andreas Koldehoff: "The Role of Context Models in Association with Flexible Design Processes". In David C. Wilson, and Deepak Khemani, editors, /Workshop-Proceedings ICCBR'07/, pages 185 - 190, 2007.

Langer, J.; Jerinic, V.; Heinkel, U.; Dresig, F.: "SpiritEd: A Register Specification System integrating IP-XACT and Adobe FrameMaker", IP '07, IP Based Electronic System Conference, Grenoble 2007

Beckert, R..; Altamnn, S.: "A verification methodology for programmable and reconfigurable processors", Mentor User2Usre Conference, SanJose, 2007.

Rogin, F.; Klotz, T.; Fey, G.; Drechsler, R.; Rülke, St.: "Automatische Generierung von SystemVerilog Assertions", Mentor User2User Conference, München, 2007.

Klotz, T.: "Dianosis- Ein Tool zur automatisierten Generierung von Eigenschaften für die Hardware-Verifikation durch dynamische Analyse von Simulationstraces", öffentliche Verteidigung der Studienarbeit, Dresden, 2007.

Beckert, R.; Rülke, St.; Hardt, W.: "A Run-Time Scheduling Framework for Reconfigurable Hardware Emulator", EUROMICRO 2007, Lübeck 2007.

Große, D.; Drechsler R.: "Debugging in der Constraint-gesteuerten Zufallssimulation", Fach- & Kooperations-Workshop "Verifikation", edacentrum Hannover, 2007

Mirjam Minor, Alexander Tartakovski, and Ralph Bergmann. Representation and Structure-based Similarity Assessment for Agile Workflows (Resubmission). In Alexander Hinneburg, editor, LWA 2007 Lernen - Wissen - Adaption, 24.-26.09.2007 in Halle, page 341, 2007, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.


2008

Große, D.; Wille, R.; Siegmund, R.; Drechsler, R.: "Contradiction Analysis for Constraint-based Random Simulation", Forum on specification & Design Languages (FDL), Stuttgart, 2008

Alexander Viehl, Björn Sander, Oliver Bringmann, Wolfgang Rosenstiel "Integrated Requirement Evaluation of Non-Functional System-on-Chip Properties", Forum on specification & Design Languages (FDL), Stuttgart, 2008

Rogin, F.; Klotz, T.; Fey, G.; Drechsler, R.: "Automatic Generation of Complex Properties for Hardware Designs", In Design, Automation, and Test in Europe (DATE), München, 2008.

Brand, H.-J.; Rülke, St.; Koldehoff, A.; Hufeld, K.; Dresig, F.: "Analysis methods for the Design of Application-Robust, Nanoelectronic Systems", Poster, Project Exhibition - Design, Automation, and Test in Europe (DATE), München, 2008.

Bergmann, R.; Minor, M.; Schmalen, D.: "URANOS Demonstrator", Poster, Film Project, Project Exhibition, - Design, Automation, and Test in Europe (DATE), München, 2008.

Brand, H.-J.; Rülke, St.; Koldehoff, A.; Hufeld, K.; Dresig, F.: "Analysis methods for the Design of Application-Robust, Nanoelectronic Systems", Poster and Demonstration, Project Exhibition - Design, Automation, and Test in Europe (DATE), München, 2008.

Mirjam Minor, Daniel Schmalen, Ralph Bergmann, Andreas Koldehoff: "A prototypical system for agile workflows", Poster and Demonstration, Project Exhibition - Design, Automation, and Test in Europe (DATE), München, 2008.

Knut Hufeld, Mark Sethi, Wolfram Hardt, André Meisel: "Analysis Methods for the Design of Application-Robust, Nanoelectronic Systems - Contributions of Infineon and TU Chemnitz", Poster and Demonstration, Project Exhibition - Design, Automation, and Test in Europe (DATE), München, 2008.

Alexander Viehl, Björn Sander, Oliver Bringmann, Wolfgang Rosenstiel: "Quantitative Bewertung nicht-funktionaler Systemanforderungen im Applikationskontext: Entwurfsablauf-Integration" Poster, edaWorkshop, Hannover, 2008.

Knut Hufeld, Mark Sethi, Wolfram Hardt, André Meisel: "Analysis Methods for the Design of Application-Robust, Nanoelectronic Systems - Contributions of Infineon and TU Chemnitz", Poster, edaWorkshop, Hannover, 2008.

Große, D.; Drechsler, R.; Jerinic, V.; Langer, J.; Fehlauer, E.; Rogin, F.; Rülke, St.; Dresig, F.; Haufe, C.; Berndt, T., Brand, H.-J.: "Analysemethoden für unsichere Anwendungsbedingungen - Beiträge von AMD Fraunhofer IIS/EAS, TU Chemnitz und Uni Bremen zu Arbeitspaket 3", Poster, edaWorkshop, Hannover, 2008.

Brand, H.-J.; Rülke, St.; Koldehoff, A.; Hufeld, K.; Dresig, F.: "Analysemethoden für unsichere Anwendungsbedingungen - URANOS-Projektübersicht", Poster, edaWorkshop, 2008

Mirjam Minor, Daniel Schmalen, Ralph Bergmann, Andreas Koldehoff: "A prototypical system for agile workflows", , Poster, edaWorkshop, 2008

Alexander Viehl, Björn Sander, Oliver Bringmann, Fan Yang, Wolfgang Rosenstiel: "Quantitative Bewertung nicht-funktionaler Systemanforderungen von System-on-Chip-Entwürfen", DASS - Special Session URANOS, Dresden, 2008.

Daniel Große, Robert Wille, Rolf Drechsler, Robert Siegmund: "Contradiction Analysis for Constraint-based Random Simulation", DASS - Special Session URANOS, Dresden, 2008.

Claudia Tischendorf, Jan Langer, Uwe Proß, Ulrich Heinkel: "Generierung von VHDL-Modellen aus PSL-Eigenschaften", DASS - Special Session URANOS, Dresden, 2008.

André Meisel, Sven Schneider, Wolfram Hardt: "Design Flow für rekonfigurierbare eingebettete Systeme in Anlehnung an das Overlaying Konzept", DASS - Special Session URANOS, Dresden, 2008.

Frank Rogin, Thomas Klotz, Steffen Rülke: "Effiziente automatische Generierung von Assertions für industrielle Hardware-Designs", DASS - Special Session URANOS, Dresden, 2008.

Frank Rogin, Thomas Klotz, Görschwin Fey, Rolf Drechsler, Steffen Rülke: "Advanced Verification by Automatic Property Generation", IEEE Workshop on Design and Diagnostics of Electronic Circuits and Systems, Bratislava, 2008.

Mirjam Minor, Daniel Schmalen, Jakob Weidlich, and Andreas Koldehoff: "Introspection into an agile workflow engine for long-term processes", In WETICE 2008 (to appear), 2008.

Mirjam Minor, Daniel Schmalen, and Ralph Bergmann: "XML-based Representation of Agile Workflows". In Martin Bichler, Thomas Hess, Helmut Krcmar, Ulrike Lechner, Florian Matthes, Arnold Picot, Benjamin Speitkamp, and Petra Wolf, editors, Multikonferenz Wirtschaftsinformatik 2008, pages 439-440, 2008, GITO-Verlag Berlin.

Mirjam Minor, Alexander Tartakovski, Daniel Schmalen, and Ralph Bergmann: " Agile Workflow Technology and Case-Based Change Reuse for Long-Term Processes" , International Journal of Intelligent Information Technologies, 2008.



Coordination

Hans-Jürgen Brand

AMD Saxony LLC&Co.KG
Dresden Design Center
PF 110 110
D-01330 Dresden
+49/351/277-6016
hans-juergen.brand@amd.com
Steffen Rülke

Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen
Außenstelle Entwurfsautomatisierung
Zeunerstraße 38
D-01069 Dresden
+49/351/4640-720
steffen.ruelke@eas.iis.fraunhofer.de





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