Auch Notenbanken brauchen eine Qualitätskontrolle. Schließlich sollten bei allen gedruckten Geldscheinen Einheitlichkeit und Fälschungssicherheit gegeben sein. Hochspezialisierte Computersysteme können dabei helfen. Bei der überschaubaren Anzahl der weltweit vorhandenen Notenbanken zahlt es sich aber kaum aus, einen eigenen Mikrochip dafür in Massenfertigung herzustellen. Zu diesem Zweck ist der Markt einfach zu klein.

In solchen Fällen gibt es eine Alternative, die unter dem Namen Field-Programmable Gate Array (FPGA) bekannt wurde. Anders als bei anwendungsspezifischen, integrierten Schaltungen, sogenannten ASICs, die eigens für eine bestimmte Funktion produziert wurden, ist die Hardwarefunktion der FPGAs nicht unveränderlich in Silizium gegossen, sondern kann flexibel angepasst werden. Die Nutzer konfigurieren diese Chips für ihre Produkte also selbst – nicht eine Software, sondern die Hardware wird "programmiert". Zur Begriffsunterscheidung: Bei ASICs und konfigurierten FPGAs, die einen Rechenkern aufweisen, spricht man von Systems-on-a-Chip (SOC).

Günstige Alternative

"Eine klassische Hardwarefertigung ist kostenintensiv. Wird aber nur eine geringe Stückzahl hochspezialisierter Chipsysteme benötigt, sind FPGAs sehr hilfreich", sagt Peter Rössler vom Institut für Embedded Systems der FH Technikum Wien. Er leitet das Josef-Ressel-Zentrum "Innovative Plattformen für Elektronische Systeme" (Ines), das vor kurzem an seiner Hochschule gegründet wurde und sich, unterstützt vom Wirtschaftsministerium und von Unternehmenspartnern, der Programmierung der flexiblen Computerbausteine widmet. An einem Projekt, das FPGAs zur Prüfung von Geldscheinen nutzt, war er gemeinsam mit dem Austrian Institute of Technology (AIT) bereits in der Vergangenheit tätig.

Nebst Speicherelementen, Taktgebern und Schnittstellen nach außen befinden sich auf FPGAs Millionen sogenannter Logikblöcke, die jeweils aus einem Verbund von Transistoren bestehen. Sie können bei der Konfigurierung individuell zu funktionalen Einheiten verbunden werden. Prozessoren, Grafikchips und viele andere Komponenten können so auf ein- und demselben FPGA nachgebildet werden. In modernen Chips sind sogar Multicore-Systeme mit mehreren Rechenkernen abbildbar. Im Vergleich zu "fixverdrahteten" ASICs und SOCs ergeben sich dadurch nicht nur geringere Entwicklungskosten. Auch Fehler in der Programmierung sind nachträglich noch korrigierbar. Taktraten, Bauteildichte, potenzielle Komplexität und meist auch die Auslastung sind dafür geringer.

FPGAs kommen heute vor allem von den großen US-Anbietern Xilinx und Intel. Um die Chips für eine eigene Anwendung zu konfigurieren, werden Programmiersprachen verwendet, die jenen für das Erstellen von Software ähneln. Ist das Design fertig, kann es auf den Chip übertragen und für die Nutzung in Produkten dauerhaft gespeichert werden. Rössler und Kollegen arbeiten nun daran, die oft langwierige Programmierarbeit zu erleichtern. "Wir entwickeln Werkzeuge und neue Entwurfsabläufe, mit denen die FPGAs schneller konfiguriert werden können", erklärt der Forscher. Die Designs sollen damit fehlertoleranter, energieeffizienter und leistungsstärker gestaltet werden können. Lässt sich die Programmierung zum Teil automatisieren, wird der Weg zur eigenen Hardwarelösung kürzer.

Vom C64 bis zur Raumfahrt

Beispiele für den Einsatz von FPGAs gibt es viele – auch abseits industrieller Anwendungen. Ein C64, ein Heimrechner der 1980er-Jahre, wurde genauso auf einem Chip nachgebaut wie der Steuercomputer der Apollo-Raumfähren, zählt Rössler auf. Im Nuklearforschungszentrum Cern wurde eine hochgenaue Uhrensynchronisation mittels FPGAs realisiert, weil in der unterirdischen Anlage auf das sonst taktgebende GPS-Signal kein Verlass ist. Anwendungen für die Tools aus dem Ressel-Zentrum sieht Rössler etwa bei FPGAs im Telekombereich, bei Bildverarbeitung und Diagnostik in Fahrzeugen oder bei elektrischen Mautsystemen.

Irgendwann, glaubt Rössler, könnte eine Software die Hardware, auf der sie läuft, auf Basis aktueller Erfordernisse sogar selbst optimieren lernen. Nach dem Motto: Benötigt eine Anwendung hohe Grafikleistung, wird schnell ein Grafikprozessor konfiguriert. Doch das ist noch Zukunftsmusik. (Alois Pumhösel, 5.5.2019)