Internet of ThingsHeterogeneous integration

5 min

Visie: Technologie optimaliseren voor IoT-systemen, een verhaal van vingerafdrukken en hersenen

Scroll

Intro

Het Internet of Things, of IoT, groeit snel uit tot een meerlagig systeem van systemen dat de hele aarde omspant. Maar om de voorspelde evolutie ook echt te laten plaatsvinden is er nog meer geoptimaliseerde en gespecialiseerde hardware nodig. Sensoren bv. die slechts zeer weinig energie verbruiken, computers die de privacy en beveiliging blijven garanderen, of rekenwonderen die intelligente lessen kunnen trekken uit de enorme hoeveelheden gegevens die ze binnenkrijgen. Diederik Verkest en Ingrid Verbauwhede leggen uit hoe ze die verdere optimalisatie en specialisatie van technologie zien. Ingrid heeft het onder meer over de noodzaak om hardware beter te beveiligen en Diederik vertelt hoe imec onderzoek doet naar hardware die werkt zoals onze hersenen.

De toekomst van de chip is heterogeen

“Tot voor kort richtten wij al onze inspanningen om computers efficiënter te maken op de transistor, de kleinste bouwsteen van een chip, en dat ongeacht waarvoor die achteraf moest dienen,” zegt Diederik Verkest. “Sinds kort, om de wet van Moore te kunnen blijven volgen, zijn we ook iets grotere bouwblokken gaan optimaliseren, zoal bv. geheugencellen. En nu kijken we zelfs al veel hoger in de systeemhiërarchie en bekijken we hoe we technologie kunnen optimaliseren om betaalde functies efficiënter uit te voeren. Zo komen we als vanzelf uit bij de kernfuncties van het toekomstige IoT, zoals beveiliging. En we hebben ook al gespecialiseerde processoren op het oog, bijvoorbeeld de zgn. neuromorfische processoren die rekenen zoals onze hersenen. We zien dergelijke functies evolueren naar subsystemen die specifieke problemen kunnen aanpakken waarvoor een klassieke chip niet zo geschikt is.”

Diederik vindt de recente uitbreiding van imec bijzonder boeiend: “Mijn nieuwe collega’s zijn experten op het gebied van slimme toepassingen zoals beveiliging, bio-informatica, big data, en zelfs slimme steden. Zij kunnen ons helpen om technologische oplossingen te vinden om de moeilijkste problemen in hun domeinen te kraken. En als applicatie-experten doen zij hun voordeel met de hardware-innovaties die wij ontwikkelen. Waar wij volgens mij op deze manier naartoe gaan, is een veel nauwere samenwerking tussen hardware en toepassingsgerichte R&D, waardoor de gecombineerde optimalisatie van systemen en technologieën veel sneller zal verlopen.”

Veilige chips met een niet na te bootsen vingerafdruk

Momenteel zitten veel voorwerpen in ons dagelijks leven al vol elektronica. Denk aan autosleutels of slimme uurwerken, aan beveiligingscamera’s of zelfs ingeplante pacemakers. “Die evolutie maakt beveiliging veel complexer dan vroeger,” zegt Ingrid Verbauwhede. "Cryptografische algoritmes vragen traditioneel veel rekenkracht en dus worden ze vooral toegepast op high-end platformen. Maar de meeste chips van het IoT zijn klein en licht, vragen weinig stroom en hebben maar een beperkte functionaliteit. Voor de traditionele cryptografie zijn ze dus niet zo geschikt. Daarom willen wij chips maken die inherent veiliger zijn door de manier waarop ze zijn ontworpen en geproduceerd.”

Ingrid Verbauwhede en haar team ontvingen in 2016 een prestigieuze Europese ERC-onderzoeksbeurs voor hun Cathedral-project.

“Voor ons betekent deze beurs tegelijk een erkenning voor wat wij al gepresteerd hebben en een aanmoediging om verder vooruitgang te boeken. Het stelt ons in staat om in alle onafhankelijkheid naar de beste oplossingen te zoeken.”

Ingrids team doet dat op allerlei manieren:

“Wij willen ontwerptechnieken bedenken voor chips die van nature veiliger zijn. Chips bv. die tijdens het rekenen geen informatie lekken, wat ze beter bestand maakt tegen side-channel aanvallen. Wij kijken ook naar cryptografie met een lange levensduur, met algoritmes die een systeem tijdens zijn hele levensduur beveiligen, ook als het in de toekomst zou worden aangevallen door kwantumcomputers.”

Welke plannen koestert Ingrid Verbauwhede voor 2017? Zij verwijst meteen naar de directe toegang die haar team nu heeft tot de processen in de imec fabs:

“Een van de gevolgen van de huidige schaalverkleining van chips is dat er variatie in de processen optreedt, waardoor elke chip lichtjes anders is dan alle andere. Voor de betrouwbaarheid is dat natuurlijk vervelend: de ingenieurs moeten dan extra maatregelen nemen om de rekenprocessen voorspelbaar te houden. Maar voor ons is die variabiliteit net een voordeel: elke chip heeft een unieke vingerafdruk, zonder dat er dure berekeningen aan te pas komen. Zoiets noemen wij een “physically unclonable function” of PUF, zeg maar een niet na te bootsen fysieke functie. En als je die functie combineert met de software die op de processor draait, dan krijg je een extra beveiligingslaag die perfect geschikt is voor IoT-toepassingen.”

Slimme chips met de capaciteit van ons brein

Ons brein is een wonder van efficiënte rekenkracht: het verbruikt maar een fractie van het vermogen van traditionele computers en boekt toch vergelijkbare prestaties. Ingenieurs zouden daarom graag ons brein op een chip willen nabouwen, bijvoorbeeld om te leren uit grote hoeveelheden data of om minder energie te verbruiken bij beeldherkenning.

“Maar dat kan alleen als we erin slagen om de architectuur van ons brein na te bootsen,” zegt Diederik Verkest. “Maar hoe imiteer je een ongelooflijk dicht netwerk van een enorm aantal relatief primitieve knopen (de neuronen) en hun verbindingen (de synapsen)? Meestal gebruikt men hiervoor één of andere crossbar-architectuur. Denk daarbij aan kruisende geleiders die een matrix (of kubus) vormen op een manier waarbij elke binnenkomende lijn verbonden is met alle buitengaande lijnen. Waar twee lijnen elkaar kruisen, bevindt zich een schakelaar die overeenkomt met de synapsen. Zij moeten intelligentie verlenen aan het systeem en de mogelijkheid om data vast te houden, te verwerken en te leren uit ervaring. Bijgevolg moeten ze programmeerbaar en zelfaanpassend worden gemaakt.

De inspanningen van imec op dit domein begonnen ongeveer twee jaar geleden en vallen gedeeltelijk onder het Europese Horizon 2020-project ‘NeuRAM3’. In 2016 selecteerden wij een architectuur en gingen wij na welke mogelijkheden er zijn om zelfaanpassende synapsen te maken. Omdat wij ervan overtuigd zijn dat ons concept zich uitstekend leent om het probleem aan te pakken, hebben wij er ook een patent op genomen. Momenteel bouwen wij een proof-of-concept. In 2017 dan, zullen wij een eerste chip produceren en integreren in een neuromorfisch computersysteem. Dan kunnen wij vervolgens een gesimuleerde toepassing testen, met een toenemend aantal neuronen.”

Dit brein-op-een-chip bevat weliswaar geen exacte kopie van onze hersencircuits, maar de natuur leert ons dat het fysiek mogelijk is om veel efficiëntere computers te bouwen dan we nu doen. Deze nieuwe computers zullen we nodig hebben om betekenis te geven aan de enorme hoeveelheid data die het IoT zal opleveren. Maar ook bv. voor de slimme sensoren en robots van de geconnecteerde wereld. Deze kleine, duurzame apparaatjes die weinig stroom verbruiken, moeten zien stand te houden wanneer de datastromen aanzwellen, door zich voortdurend aan hun omgeving aan te passen en bij te leren zodat ze in de loop van hun leven alsmaar slimmer worden.

 

Biografie Diederik Verkest

Diederik Verkest is directeur van het imec INSITE-programma. Nadat hij zijn doctoraat in de micro-elektronica had behaald aan de KU Leuven (België) trad Diederik in 1994 in dienst bij imec, waar hij onder andere verantwoordelijk is voor hardware/software co-design. In 2009 startte hij het imec INSITE-programma dat focust op de co-optimalisatie van ontwerp- en procestechnologie voor sub-14nm nodes. Het programma biedt de fabless design-community inzicht in geavanceerde procestechnologieën en verschaft chipmakers en -ontwerpers een uitwisselingsplatform voor technologieën van de volgende generatie.
Diederik Verkest publiceerde meer dan 150 artikels in internationale vakbladen en presentaties op internationale conferenties. Ook het voorbije jaar was hij bij talrijke technische conferenties betrokken. Verkest is Golden Core-lid van de IEEE Computer Society.

Biografie Ingrid Verbauwhede

Ingrid Verbauwhede is hoogleraar aan de KU Leuven (België) en lid van de imec - KU Leuven - COSIC onderzoekseenheid, waar zij de groep embedded systems en hardware leidt. Zij is ook associate professor aan het departement electrical engineering van UCLA, Los Angeles (USA). Ingrid Verbauwhede is IEEE Fellow, lid van IACR en in 2011 verkozen tot lid van de Koninklijke Vlaamse Academie van België voor Wetenschappen en Kunsten. Haar belangstelling gaat vooral uit naar het ontwerpen van veilige embedded systemen en naar de hiervoor bruikbare onwerpmethodes. Zij publiceerde ongeveer 70 papers in internationale tijdschriften en presenteerde 260 papers op internationale conferenties. Zij is als uitvinder betrokken bij 12 gepubliceerde patenten.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies