Innovative energieeffiziente Rechnerarchitektur
Patent 22002/TUB

Das Patent beschreibt eine neuartige Prozessorarchitektur, die die einfache Programmierbarkeit von RISC-Architekturen mit einer hohen Energieeffizienz ähnlich wie bei CGRA kombiniert. Dadurch eignet sich dieser Ansatz besonders gut für Embedded-, Edge- und IoT-Systeme, bei denen sowohl Energieeffizienz als auch Programmierbarkeit entscheidend sind.

Vorteile
  1. Höhere Energieeffizienz als RISC-basierte Architekturen bei ähnlicher Programmierbarkeit
  2. Wiederverwendung von Anweisungen durch räumliche Anweisungsverteilung
  3. Hohe Energieeffizienz durch minimale Befehlsbewegungen und eng gekoppelte Datenpfade
  4. Skalierbar durch modulare „Fabric Cells“ mit vernetzbaren Bereichen
  5. Einfaches RISC-ähnliches sequentielles Programmiermodell
  6. Unterstützt Hardware-Multithreading, dynamisches Tiling und fragmentbasierte Verarbeitung
Anwendungsmöglichkeiten

Die Technologie eignet sich besonders für Embedded-, Edge- und IoT-Systeme, bei denen sowohl Energieeffizienz als auch Programmierbarkeit entscheidend sind. Anwendungsbeispiele sind batteriebetriebene Sensorknoten und Signalverarbeitungsanwendungen.

Hintergrund

Herkömmliche Mikrocontroller und CPU-basierte System-on-Chips (SoCs) sind zwar in hohem Maße programmierbar, jedoch hinsichtlich ihrer Energieeffizienz eingeschränkt. Ein Grund dafür ist der kontinuierliche Energieaufwand des Befehlsstroms. Rekonfigurierbare Arrays (FPGAs, CGRAs) können Daten mit einer höheren Energieeffizienz verarbeiten, sind jedoch schwer zu programmieren. Das beschriebene Konzept kombiniert die einfache Programmierbarkeit von RISC-Architekturen mit einer CGRA-ähnlichen hohen Energieeffizienz.

Technische Beschreibung

Die Architektur besteht aus einer Matrix von Verarbeitungselementen (PEs), von denen jedes Befehle decodiert und ausführt. Jedes PE verfügt über ein Befehlsregister, ALUs für arithmetische und logische Verarbeitungen, mehrere Speicherregister (A, B, R) sowie eine Steuereinheit für lokale Entscheidungslogik und Verzweigungen. Der S-Bus bildet die Datenpfade zwischen den Teilen des Arrays, während der M-Bus für die Kommunikation mit externen Einheiten, dem Speicher und einem Fragment Instance Manager (FIM) zuständig ist. Das System arbeitet auf Fragmentbasis, wobei Programmabschnitte in die Verarbeitungselemente geladen werden. Der FIM verwaltet die Ausführung, Speicherung und Wiederherstellung dieser Fragmente, um die Rechenlast dynamisch an die Hardware-Ressourcen anzupassen. Sein auf 32-Bit-Wörtern basierender Befehlssatz ermöglicht eine einfache Dekodierung, minimale Operandentypen und unterstützt die gleichzeitige Koordination von Daten- und Kontrollfluss.

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Ina Krüger

Technologietransfermanagerin

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ina.krueger@tu-berlin.de

Technischer Reifegrad
TRL 4

Versuchsaufbau im Labor

Schutzrechte

in Anmeldung: EP, US

Patentinhaber

Technische Universität Berlin

Möglichkeiten der Zusammenarbeit
  • F&E Kooperation
  • Lizenzierung
  • Patentkauf