Themen aus dem Gebiet „Technische Informatik“

Proseminar
Themen aus dem Gebiet „Technische Informatik“
SS 2015
Christophe Thil et al.
[email protected]
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
1
Die Veranstaltung
•  Proseminar (IPS) ist Teil des BSc „Angewandte Informatik“
•  Achtung, dies ist nicht das Seminar (IS) aus dem MSc „Technische Informatik“
•  3 Kreditpunkte, davon 2 FÜK
•  Moduldetails unter http://tinyurl.com/bsc-ips
http://www.informatik.uni-heidelberg.de/studium_und_lehre/lehrangebot_20_07_2010/bsc_ips.html
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
2
Die Lernziele
•  Einblicke in Themen der Technischen Informatik
•  durch Erschließen einfacher wissenschaftlicher Literatur
•  durch Teilnahme an den Vorträgen der Mit-Studierenden
•  Grundlegende Fähigkeiten der wissenschaftlichen Arbeit
•  selbständige Recherche
•  Aufbereitung und Vermittlung der Erkenntnisse
•  Diskussion
•  Feedback zum Inhalt und der Form
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
3
Die Inhalte und Leistungen
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
Vorstellung der Lehrstühle und der angebotenen Themen
Anmeldung für ein Thema
Eigenständige Recherche
Ausarbeitung des Vortrages
Diskussion der Folien, Probevortrag mit dem jeweiligen Betreuer
Präsentation vor allen Mitstudierenden und Betreuern mit anschließender
Diskussion
7.  Elektronische Abgabe der Präsentationsfolien
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
4
Der Vortrag: Richtlinien und Hinweise
Vortragsdauer inclusive Diskussion: 45 Minuten
Präsentationsmittel:
•  Elektronische Folien + Projektor
•  (Laser)pointer
•  Ggf. Handout
Vor der Präsentation die technischen Voraussetzungen prüfen:
•  Mit Instituts-Laptop:
•  Folien auf USB-Stick mitbringen
•  Kompatibilität des Dateiformats prüfen (PDF optimal, jedoch statisch)
•  Mit eigenem Laptop:
•  Kompatibilität prüfen (Anschlüsse, Auflösung, …)
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
5
Die Folien: Richtlinien und Hinweise
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Elektronische Form, mit Standardsoftware erstellt (PowerPoint, Impress, …)
Seitenzahl auf jeder Folie
Einheitliches Layout: Schriftart, -größe, -farbe
Ruhiger, dezenter Hintergrund
Stichpunkte, kein mehrzeiliger Fließtext
Illustrationen und Bilder statt langem Text
Mathematische Formeln wo sie für die Erkenntnis förderlich sind
Animationen sparsam verwenden, wo hilfreich einsetzen
Quellen korrekt zitieren
Rechtschreibung prüfen
•  Verweildauer und Folienanzahl muss zusammenpassen: 1-1,5 min. pro Folie
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
6
Die Folien: Tipps
•  Pro Folie eine Kernaussage
•  Thematisch korrekte Reihenfolge der Folien
•  Anspruch und Spannung steigt zum Ende hin an
Vortrag üben:
•  Freunde, Familie, Kommilitonen
•  Probevortrag mit Betreuer
Präsentation am Ort der Veranstaltung testen:
•  Eigener Laptop hilft vor Überraschungen
•  Schlecht lesbare Farbkombinationen und feine Linien vermeiden
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
7
Terminplan
• 
• 
• 
• 
Direkt nach der Themenvorstellung bis 27.04.2015: Verbindliche Themenwahl
Entwurf des Foliensatzes, Diskussion mit Betreuer: Vortrag minus 4 Wochen
Probevortrag mit dem finalen Foliensatz: Vortrag minus 2 Wochen
Präsentation des Vortrages: Letzte Woche der Vorlesungszeit
Vorletzte Juli-Woche, in Block-Form nach Abstimmung
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
8
Die beteiligten Lehrstühle: Kontakt
Automation: Prof. Dr. E. Badreddin
[email protected]
Optoelektronik: Prof. Dr. K.-H. Brenner
[email protected]
Rechnerarchitektur: Prof. Dr. U. Brüning
[email protected]
Schaltungstechnik und Simulation: Prof. Dr. P. Fischer
[email protected]
Anwendungsspezifisches Rechnen: Prof. Dr. R. Strzodka
[email protected]
Technische Informatik: Jun.-Prof. Dr. Holger Fröning
[email protected]
LS Schaltungstechnik und Simulation / Christophe Thil
9
Automation
Prof. Dr. E. Badreddin
10
Koopera've Spiele in der Robo'k •  Beschreibung von einem oder mehreren Problemen aus der Robo5k (z.B. RoboCup), welche mit koopera5ver Spieltheorie gelöst werden können Kontaktperson: alexander.alexopoulos@zi'.uni-‐heidelberg.de Unbemannte LuAfahrzeuge •  Bewertung drahtloser Funksysteme zur Videoübertragung für den Einsatz auf kleinen unbemannten LuFfahrzeugen •  Recherche und Vergleich der Windmessung auf unbemannten LuFfahrzeugen (Methoden und verwendete Sensoren) C Kontaktperson: markus.koslowski@zi'.uni-‐heidelberg.de Eye-‐Tracking für interak've Systeme Bildquelle: hQp://www.eyegaze.com/wp-‐content/uploads/Eyegaze-‐eye-‐tracking_2.bmp •  Blickauswertungsverfahren bei der Interak5on mit einem graﬁschen Nutzerinterface Kontaktperson: eugen.nordheimer@zi'.uni-‐heidelberg.de Optoelektronik
Prof. Dr. K.-H. Brenner
14
Themenvorschläge
Optoelektronik: Prof. Dr. K.-H. Brenner
•  Prinzipien der 3D-Szenenerfassung am Beispiel von Microsoft Kinect
Die 3D-Szenenerfassung findet in zunehmendem Maße Anwendung in der Konsumelektronik. Viele
dieser Systeme basieren auf der Triangulationsmethode. Der Vortrag betrachtet die grundlegenden
Methoden der Tiefenmessung und am Beispiel von Microsoft Kinect die Umsetzung dieser Verfahren
in kompakte 3D-Sensoren.
•  Breitbandige Datenübertragung in Systemen mit Aktiven Optischen Kabeln
Einleitend sollen in dem Vortrag die Grenzen der elektrischen Verbindungstechnik sowie das
Potential einer optischen Verbindungstechnik aufgezeigt werden. Aktive Optische Kabel vereinen die
Vorzüge elektrischer Steckverbindungen mit den Vorzügen optischer Verbindungstechnik. Der
Vortrag beleuchtet die historische Entwicklung und den aktuellen Stand dieser neuen Technik.
•  Optische Lithographie als Schlüsseltechnologie für die Chipfertigung
Mit der optischen Lithographie bei der Fertigung von Mikrochips werden heute mittels ArF-ExcimerLaser Strukturgrößen von 18 nm realisiert - was deutlich unter der klassischen optischen
Auflösungsgrenze liegt. Der Vortrag bietet eine Übersicht über die heute verwendeten Methoden zur
Auflösungssteigerung und zeigt auf, welche Konsequenzen der geplante Wechsel zur EUVLithographie mit sich bringt.
15
Themenvorschläge
Optoelektronik: Prof. Dr. K.-H. Brenner
•  Organische Leuchtdioden für die Displaytechnik
Dünner, schneller, sparsamer und kontrastreicher – ja, sogar biegsam sollen sie sein:
Organische Leuchtdioden könnten eine neue Ära der Displaytechnik einleiten. Wirklich marktreif sind
sie bisher aber nur für Smartphones mit kleinen Bildschirmen. Warum lässt die große Revolution so
lange auf sich warten? Wie funktioniert die Technik? Und wo liegen die Schwierigkeiten? Der Vortrag
erklärt die physikalischen Grundlagen zur Elektroluminiszenz und stellt verschiedene Ansätze der
Displaytechnik gegenüber.
•  Optik in Mobilgeräten - Geht's noch kleiner?
In jedem Smartphone steckt heute mindestens eine Digitalkamera. Während die Telefone immer
günstiger und schlanker werden, steigen gleichzeitig die Forderungen nach höher aufgelösten und
rauschärmeren Bildern. Tatsächlich bewegen sich solche miniaturisierten Optiken bereits nah an
physikalischen Grenzen. Der Vortrag zeigt auf welche grundsätzlichen Schwierigkeiten bei dieser
Miniaturisierung entstehen und wo die untersten Grenzen der Skalierung liegen.
16
Rechnerarchitektur
Prof. Dr. U. Brüning
17
Lehrstuhl für Rechnerarchitektur 1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
8. 
Das Pipeline-Operationsprinzip
Parallele Verarbeitungseinheiten
Die Speicherhierarchie und Caches
Cache-Kohärenz und -Konsistenz (MESI-Protokoll)
Mikroprogrammierung
Programmed I/O und Direct Memory Access
Speicherverwaltung im Linux Kernel
Dateisysteme und ihre Implementierung
Proseminar “Technische Informatik” SS 2015
18
Schaltungstechnik und Simulation
Prof. Dr. P. Fischer
19
PROSeminar Themen, LS SuS §  Schnelle Quadratwurzel (Michael Ritzert)
•  Für float Zahlen in IEEE 754 Darstellung kann man mit einem Rechentrick
sehr schnell eine Näherung für die Quadratwurzel (bzw. das Inverse)
errechnen. Dieser ‚Fast inverse square root‘ Trick soll verstanden, anschaulich
erklärt und vorgeführt werden. Insbesondere soll vorgerechnet werden, wie es
zu der ‚magischen‘ Konstanten 0x5f3759df in der Formel kommt.
§  Effiziente Berechnung des Medians (Peter Fischer)
•  Der Median einer Menge von Werten ist robuster gegen einzelne Ausreißer
(‚Meßfehler‘) als der Mittelwert, so dass er in manchen Anwendungen zum
Einsatz kommt. Eine naive Berechnung des Medians erfolgt durch Sortieren
der Wertemenge und dann durch Herausgreifen des mittleren Elements. Der
Aufwand hierzu ist O(n log n). Es gibt einen effizienteren Algorithmus (Blum et
al.: Time Bounds for Selection, J. of Computer and System Sciences 7,
448-461 (1973) ), der O(n) ist. Dieser soll im Detail erläutert werden.
Proseminar "Computer Engineering" SS2015
20
PROSeminar Themen, LS SuS §  FFT
•  Die ‘Fast Fourier Transform’ ist eine effiziente Implementierung der
Fouriertransformation. Der Trick soll erläutert und anschaulich gemacht
werden.
Dieses Thema ist nicht originell, die FFT gehört aber zur Allgemeinbildung und
sollte einmal im Detail verstanden worden sein...
Das Thema erfordert (offensichtlich) etwas Mathematikkenntnisse.
§  Berechnung von Kapazitäten beliebig geformter Leiter
•  Die Kapazität von zwei beliebig angeordneten Leitern lässt sich – natürlich –
mit den ‚Maxwell-Gleichungen‘ bzw. der Poisson-Gleichung berechnen. Aber
wie?
Die Bedeutung von ‚Kapazität‘ soll anschaulich gemacht werden. Es soll klar
werden, wie diese aus der Feldverteilung errechnet werden kann, und wie
man die Feldverteilung bekommt.
Das Thema erfordert gutes physikalisches Verständnis.
Proseminar "Computer Engineering" SS2015
21
PROSeminar Themen, LS SuS §  Spektrum Analyzer (Michael Ritzert)
•  Für einige Anwendungen sind Spectrum Analyzer sehr mächtige Messgeräte.
Sie sind jedoch nicht einfach zu verstehen & zu bedienen. Im Vortrag soll
dargelegt werden, was mit einem Spectrum Analyzer gemessen werden kann.
Der interne Aufbau und Anwendungsmöglichkeiten sollten vorgestellt werden
(Phasenrauschen, Spread Spectrum, Modulation). Im Vortrag könnte eine
konkrete Demo erfolgen.
§  Hochempfindliche Photosensoren mit Ortsauflösung (Ilaria Sacco)
•  Zum Nachweis weniger Photonen können Lawinen-Photodetektoren
(Avalanche Photodioden, APDs) eingesetzt werden. In letzter Zeit hat sich eine
Architektur etabliert, bei der viele sehr kleine APDs auf einem Sensor vereint
und i.W. parallel geschaltet werden. Diese ‚Silizium-Photomultiplier‘ (SiPM)
liefern ein Signal, das zur Anzahl der Photonen proportional ist. Vor Kurzem
wurde ein Konzept vorgeschlagen, mit dem auch die Position eines
Photonenclusters einfach ermittelt werden kann. Die Idee, Implementierung
und die Performance solcher Interpolierenden SiPMs soll vorgestellt werden.
Proseminar "Computer Engineering" SS2015
22
PROSeminar Themen, LS SuS §  Zeitmessung mit FPGAs (Ilaria Sacco)
•  In vielen Physikexperimenten müssen die Zeitpunkte von Ereignissen (meist
Teilchentreffer) mit sehr hoher Präzision gemessen werden. In der
Vergangenheit wurden hierzu spezielle Time-Digital-Converter (TDCs)
entwickelt. Inzwischen gelingt es, mehrere TDCs mit Auflösungen unter 10 ps
in einem FPGA unterzubringen. Der Vortrag soll eine Übersicht über die
verschiedenen Techniken zur Implementierung geben und die verwendeten
Tricks erläutern.
Das fortgeschrittene Thema erfordert Kennnisse in Aufbau und
Programmierung von FPGAs
§  Tesla-Transformatoren
•  Mit Telsa-Transformatoren können sehr hohe Spannungen und lange Funken
erzeugt werden. Das Thema soll physikalisch korrekt behandelt werden.
Proseminar "Computer Engineering" SS2015
23
Anwendungsspezifisches Rechnen
Prof. Dr. R. Strzodka
24
Computational Science
Uni Heidelberg Apr 2015
25
Bandwidth in an Accelerator System
CPU socket (4-16 cores)
Accelerator socket
CPU
core
CPU
core
CPU
core
CPU
core
ALU
on-chip
ALU
on-chip
ALU
on-chip
FPU
memory
ALU
on-chip
FPU
4040
GB/s
GB/s memory
FPU
memory
FPU 4040GB/s
GB/s memory
20 GB/s
2 GB/s
system
memory 200GiB
Uni Heidelberg Apr 2015
ALU
ALU
ALU
ALU
FPU
FPU
FPU
FPU
2 TB/s
on-chip
on-chip
on-chip
on-chip
memory
memory
memory
memory
200 GB/s
4 GB/s
device
memory 20GiB
26
Parallel Adaptive Data Structures
[Glift: An abstraction for generic, efficient GPU data structures. ACM TOG 2006]
[AmgX: https://developer.nvidia.com/amgx. 2013]
Uni Heidelberg Apr 2015
27
Proseminar Topics
•  Karatsuba Multiplication
–  Multiply two n-digit numbers with less than n^2 multiplications
•  Strassen Matrix Multiplication
–  Multiply two matrices with less than n^3 multiplications
•  Data Containers and Algorithms
–  Vector, list, stack, map
–  Append, insert, push, pop
–  Transform, reduce
•  Threads in C++11
–  std::thread, join
–  mutex, atomic
–  Pthreads comparison
Uni Heidelberg Apr 2015
28
Technische Informatik
Jun.-Prof. Dr. Holger Fröning
29
Themenvorschläge
Technische Informatik: Jun.-Prof. Dr.
Holger Fröning
•  Bloom Filters
A bloom filter is a rather old technique (introduced 1970) to test if an element is a member of a set. It
is a probabilistic data structure that could result in false positives, but false negatives are not
possible. Bloom filters are very space-efficient, and recently used in many applications, including
Google BigTable, Apache Cassandra and Google Chrome. The goal of this talk is to give an
introduction to Bloom Filters and to compare against other solutions.
•  Scalable graph computations and their applications
Large graphs with billions of nodes and edges are ubiquitous in many domains, including computer
science, social sciences, physics, digital hardware design, chemistry, linguistics and bioinformatics.
They exhibit characteristics that poorly match current parallel processing methodologies. Graph
algorithms are a challenging workload for parallel systems as they are data-driven and thus their
behaviour during execution cannot be predicted. Goal of this task is to give an overview on typical
graph computations (search, shortest path, minimum spanning tree, betweenness centrality, etc) and
their applications.
30
Themenvorschläge
Technische Informatik: Jun.-Prof. Dr.
Holger Fröning
•  Sorting
Sorting is a well-known computation that has a rich history of optimizations. This talk should explore
some common algorithms for sorting, and how they match to recent processor architectures.
Suitable equipment for some basic profiling is available so this talk could be enriched by some
experiments to characterize this workload.
31