Tweet

'Elk jaar een nieuwe smartphone vraagt om supersnelle innovatie' /reageer

De Leidse Todor Stefanov onderzoekt methoden en middelen voor het ontwerpen en programmeren van multiprocessor systemen die zijn geïntegreerd in een ingebedde enkele chip. Om de verwerking van signalen en beelden in bijvoorbeeld smartphones te verbeteren. En dat moet snel, want ieder jaar komt er wel weer een nieuwe generatie op de markt.

Er worden nog weinig elektrische apparaten gebouwd waar geen chips in zitten. Deze ‘embedded circuits’ komen voor steeds lastiger taken te staan. Neem de smartphone, die moet een veelheid aan functies hebben, in een steeds kleinere omgeving. De Bulgaarse Todor Stefanov werkt in het Leiden Embedded Research Center (LERC) aan het ontwikkelen en ontwerpen van complexe ingebedde systemen. Hij ontwikkelt zowel de theoretische modellen als de praktische systemen.

‘Veel moderne digitale elektrisch apparaten hebben complexe Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) platforms in zich. Het programmeren daarvan wordt steeds ingewikkelder,’ zegt Stefanov. ‘Vooral omdat de eisen die we aan, bijvoorbeeld, onze smart telefoons en televisies stellen, steeds hoger worden.’

Vooral de eisen die aan parallel werkende systemen worden gesteld, nemen toe. We willen bijvoorbeeld dat op een kleiner wordende telefoon, meer toepassingen tegelijk worden uitgevoerd. Maar het aantal chips of batterijen dat daarvoor nodig is, mag niet meer worden. ‘Want dan wordt de telefoon te groot.’ Bovendien zou het veel te lang duren als je voor iedere generatie telefoon opnieuw het technologisch design opnieuw moet ontwerpen. ‘Met modellen kan dat veel sneller en bovendien kunnen die voor iedere generatie opnieuw worden gebruikt.’

Stefanov is assistant-professor bij het Leiden Institute of Advanced Computer Science (LIACS). Hij heeft een masters in computer engineering van de Technische Universiteit van Sofia. In 2004 haalde hij zijn PhD in computerwetenschappen in Leiden. Van 1998 tot mei 2000 werkte hij als onderzoeker bij Innovative Micro Systems in Sofia. Bij dit start-up bedrijf in Franse handen ontwierp hij microprocessors. Sinds juli 2000 werkt hij bij het LIACS, met een periode ertussenuit in 2008 bij Computer Engineering Lab van de TU-Delft.

MP-SoCs

Tegenwoordig leidt Stefanov de LERC group, een onderzoeksgroep die bestaat uit tien PhD-studenten en twee postdocs. Stefanov en zijn mensen richten zich op systeemmodellering en het ontwerpen en implementeren van MP-SoCs, ofwel complex Multi-Processor System-on-Chip. Zijn groep ontving onlangs een grote beurs van 150.000 dollar door het Intel Labs Academic Research Office. Met het verzoek een geautomatiseerd systeem te ontwerpen dat geïntegreerde processoren met meer verschillende taken kan ontwerpen en programmeren voor op een chip. Dergelijke chips komen voor in smartphones, tablets en digitale TVs.

De modellen van Stefanov kunnen het best worden gekenschetst als een serie rekentaken die data kunnen uitwisselen. ‘Doorstroomsnelheden zijn van cruciaal belang geworden in de moderne elektronica. Rekentaken moeten steeds sneller en het liefst tegelijkertijd worden uitgevoerd.’

Maar vaak zijn voor verschillende functies in alledaagse elektronica verschillenden processoren nodig die autonoom rekenen. En toch moeten ze samenwerken. ‘En ze zjjn aangesloten op dezelfde geheugen infrastructuur voor de uitwisseling van data.,’ legt Stefanov uit. ‘De complexiteit van deze ingebedde multiprocessor systemen noodzaakt ontwikkelaars om ook het programmeren van deze systemen zelf te automatiseren.’

Holistic ontwerp

Het MPSoC ontwerp programma, onderzocht en ontwikkeld door Stefanov heeft de naam DAEDALUS gekregen, naar de Grieks mythologische uitvinder en architect. Dat programma vertaalt eerst de gewenste toepassing naar de procesnetwerken op de nieuwe MPSoC die op dat moment in ontwikkelng is. Dan kijkt het welke componenten, functionaliteiten en technische specificaties voorwaarde zijn voor de nieuwe MPSoC. Met deze MPSoC architectuur wordt een prototype van het multiprocessor chip-systeem ontworpen.

De processornetwerk architectuur is opgebouwd uit een bibliotheek van componenten voor het kunnen uitvoeren van berekeningen en voor het synchroniseren van functies, en voor de communicatie en opslag van data. Stefanov: ‘De organisatie van het processornetwerk is zo gestructureerd dat procesnetwerken de hoogst mogelijke prestaties opleveren.’

Daarnaast hebben Stefanov en zijn team de zogenaamde ESPAM techniek ontwikkeld, die ervoor zorgt dat de ontwerp- en programmeertijd van de multiprocessor chip-systemen wordt teruggebracht van maanden tot uren.

‘De meeste van de huidige ontwerpmethodieken en instrumenten zijn gebaseerd op Register Transfer Level (RTL) beschrijvingen. Die worden meestal met de hand gemaakt,’ vertelt Stefanov. ‘Dergelijke methodes zijn ontoereikend, omdat het maken van RTL beschrijvingen over complexe multiprocessor-systemen foutgevoelig is en tijd vreet.’ ESPAM brengt de ontwerp specificatie van RTL naar een hoger, zogenaamd systeem-niveau van abstractie.

Afleiding

De onderzoeker Stefanov is naast het verder brengen van de technologische innovatie druk met lesgeven en publiceren. Meer dan veertig artikelen schreef hij alleen of met anderen. Het lesgeven gebeurt onder meer op de maandagmiddag. Hoorcolleges, werkcolleges en practica en projecten. ‘Zonder uitzondering worden de studenten verplicht aanwezig te zijn,’ laat hij zijn studenten streng weten. ‘Het huiswerk moet op woensdag worden ingeleverd, en wel voor 23.59 uur.’ Op straffe van een onvoldoende. Waar ook tijd in gaat zitten is zijn mede-redacteurschap van het International Journal of Reconfigurable Computing.

Als leider van de LERC groep is hij regelmatig druk met het schrijven van projectaanvragen en het indienen van grand- en subsidieverzoeken. Toch levert dat ook het nodige op. ‘We hebben alleen al in 2010 anderhalf miljoen euro onderzoeksgeld kunnen ophalen,’ vertelt Stefanov niet zonder trots. ‘Voor een medium-size onderzoeksgroep is dat wel een goed resultaat.’

Ook interessant:

Zo ziet het mobieltje van de toekomst eruit
Lessen van iPod-ontwikkelaar Fadell
In de toekomst is elke auto te huur