TwinSpace

Revolution in der automobilen Softwareentwicklung durch Green-Coding und digitale Zwillinge –
Ökonomie und Ökologie im perfekten Einklang.

Förderaufruf

„GreenTech Innovationswettbewerb“
Digitale Technologien als Schlüssel für die ökologische
Transformation der Wirtschaft

Fördervolumen

3.966.000,77 €
in der Laufzeit: 01.05.2023 – 30.04.2026

Projektübersicht

Traditionell wird die Ressourcenoptimierung nichtfunktionaler Eigenschaften von Software wie Laufzeit, Speicherbedarf und vor allem Energie in der Entwicklung vernachlässigt, da sich die Geschwindigkeit der Hardware ohnehin alle zwei Jahre verdoppelt. Damit räumt diese bahnbrechende Initiative nun auf und zielt darauf ab, (sicherheitsrelevante) Software für eingebettete Systeme im Hinblick auf den Ressourcenbedarf (z. B. CPU, GPU, Laufzeit) zu optimieren, indem die Anwendungsspezifikation auf einen Zwillingsraum (Black-Box-Shells) abgebildet wird, der die Vielzahl der Implementierungsmöglichkeiten von Komponenten im Designraum abstrahiert. Zu diesem Zweck wird ein automatisiertes Reverse Engineering von kompiliertem Code angestrebt. Dieser Code wird dann auf verschiedenen emulierten Hardwareplattformen (HW) simuliert und der Ressourcenbedarf wird gemessen. Sobald die geeignete HW-Plattform ausgewählt ist, wird der Code für die jeweilige HW-Plattform neu kompiliert. Durch die Abstraktion von konkreter funktionaler Software und die Einführung von Software-Zwillingen ist es möglich, Software-Komponenten in einem frühen Stadium auf realer oder virtueller Hardware zu analysieren und abzubilden. So kann das Optimierungsziel der Energieeinsparung von Anfang an in den Entwicklungsprozess einbezogen werden. Das Tolle daran ist: Durch Reverse Engineering entsteht keine Cyber-Gefahr, da nur nicht-funktionale Aspekte übertragen werden. Obwohl zunächst auf die Automobilindustrie fokussiert, hat TwinSpace das Potenzial, branchenübergreifend als Vorbild zu dienen und nachhaltige Spillover-Effekte in der gesamten Technologiebranche zu erzeugen. Mit TwinSpace steht uns eine Zukunft bevor, in der Digitalechnologie und Umweltverantwortung Hand in Hand gehen. Bleiben Sie informiert und vernetzt: LinkedIn

TwinSpace

Motivation

Das TwinSpace-Projekt hat eine klare Motivation hinter sich, die in der traditionellen Softwareentwicklung vernachlässigt wurde. Bisher wurden nicht-funktionale Eigenschaften von Software, wie Laufzeit, Speicheranforderungen und vor allem Energieeffizienz, oft ignoriert, da die Hardware-Geschwindigkeit ohnehin alle zwei Jahre verdoppelt wird. Allerdings geht mit einer höhere Rechenleistung auch ein höherer Energieverbrauch einher. Doch angesichts der Nachhaltigkeitsprobleme in der Digitalisierung wurde die Notwendigkeit erkannt, Energieeffizienz und Ressourcenoptimierung von Software für eingebettete Systeme zu einem zentralen Ziel zu machen.

Statement zur Fördermaßname

Durch die Entwicklung ressourcenoptimierter und energieeffizienter Software für eingebettete Systeme wird das Projekt TwinSpace dazu beitragen, die wachsenden Herausforderungen der Nachhaltigkeit in der digitalen Technologie zu bewältigen und ökonomische und ökologische Aspekte zu optimieren. Mittels des entwickelten, erprobten und angewendeten Green-Coding Entwicklungswerkzeugs mit optimierten Ressourcen-Management soll die digitale Technologien für die Transformation der Wirtschaft hin zu mehr Nachhaltigkeit, Klima- und Umweltschutz genutzt werden. Dabei müssen die eingesetzten digitalen Technologien selbst ressourceneffizient konzipiert sein, um die durch die Digitalisierung induzierten Ressourcenverbräuche zu minimieren.

Zielstellung

Das Projekt „TwinSpace“ zielt darauf ab, den Ressourcenverbrauch von digitalen Technologien zu reduzieren, den Energieverbrauch zu minimieren und den CO2-Ausstoß zu verringern. Dabei sollen Softwareprobleme durch die Abstraktion von konkreten Softwareimplementierungen mithilfe von virtuellen Software-Zwillingen adressiert und den Energiebedarfs von eingebetteter Software optimiert werden. Mit dieser Methode kann Energieeffizienz von Beginn an berücksichtigt werden und ermöglicht frühe Einschätzungen bezüglich Systemanforderungen, die wiederum als Basis für umfassende Optimierungen dienen.

Erwarteter Impact

Durch dieses Vorhaben wird die Softwareentwicklung revolutioniert in dem ökologischer und ökonomischer Nutzen der digitalen Technologie in die Breite getragen wird. Der Standtort Deutschland profitiert von den Ergebnissen, da er seinen Stand in Wissenschaft und Technik bezüglich eingebetteter Software im Automobilbereich erweitern wird und auch in andere Branchen und Anwendungsfelder getragen werden kann. Demnach wird die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands als Technologiestandort gestärkt.

Angestrebte Ergebnisse

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, die Vorteile digitaler Technologien hinsichtlich ihrer ökonomischen und ökologischen Potenziale zu maximieren.

  • Entwicklung des Green-Coding-Entwicklungswerkzeugs „TwinSpace“ für effizientere und energiesparende Softwareentwicklung.
  • Erprobung und Anwendung der Entwicklungen in der Automobilindustrie und später in weiteren Branchen.
  • Reduzierung des Energieverbrauchs und des CO2-Ausstoßes durch effizientere Software und Hardware.
  • Bereitstellung einer Methodik und Software für Entwickler von eingebetteten Systemen, um den Ressourcenbedarf frühzeitig zu analysieren und die passende Hardware-Plattform auszuwählen.

Vision

Die übergeordnete Version ist es, eine Welt zu schaffen, in der technologischer Fortschritt und Umweltschutz Hand in Hand gehen. Software, die bewusst und effizient entwickelt wird, kann erhebliche Energie- und Kosteneinsparungen ermöglichen. Mit neuen Ansätzen wie „Green Coding-Mechansimen“ und „Digitale Zwillinge“ wird eine tiefgreifende Veränderung in der Art und Weise angestrebt, wie Software für eingebettete Systeme entwickelt wird. Dies könnte die Branche nachhaltig beeinflussen und als Vorbild für andere Branchen und globale Anwendungen dienen.

Konsortium

Im Rahmen dieses Projektes arbeiten insgesamt 8 Partner und 3 assoziierte Unternehmen eng zusammen. Die Forschung und Entwicklung sowohl von der Universität Rostock, Universität zu Lübeck und Universität Augsburg durchgeführt, als auch durch die beiden Unternehmen emmtrix und AbsInt. Zudem tragen die Lösungsanbieter e:fs, TENSOR, NXP (assoziiert) und SYSGO (assoziiert) maßgeblich zur Entwicklung der Projektergebnisse bei. Cariad fungiert als Anwendungspartner, der die Verwertung in Richtung der Automobilindustrie sicherstellt und die TU Clausthal beauftragt die Ergebnisse zu erproben.

Blog

Extraktion und Generierung von Ressourcenzwillingen

In den bisherigen Blogposts sind wir auf die Idee und die Zielsetzung des Projekts TwinSpace eingegangen und haben verschiedene Bausteine zur technischen Umsetzung präsentiert, nämlich die LPDL als Lastbeschreibungssprache sowie die dazugehörigen Extraktoren und Generatoren. Mit Hilfe der LPDL können Modelle des extra-funktionalen Verhalten von Software-Komponenten und -systemen (beispielsweise Laufzeit, Anzahl und Art der Operationen, Speicherverbrauch, Kommunikationsverhalten, …) spezifiziert werden ohne konkrete Algorithmen offenlegen zu müssen. Die Modelle können entweder mittels der Extraktoren automatisch aus vorhandenen Software-Komponenten erzeugt werden oder aber von Hand geschrieben werden. Die Modelle dienen danach als Eingabe für die Generatoren, die anhand der Spezifikation in den LPDL-Modellen passende Ressourcenzwillinge erzeugen. Diese können dann zum Beispiel genutzt werden, um verschiedene Hardwareplattformen oder Compiler zu bewerten.

Heute wollen wir die Umwandlung von Softwarekomponenten in Ressourcenzwillinge anhand eines Beispiels etwas genauer beleuchten. In späteren Blogposts werden auch die Systemebene, Metriken zur Bewertung der Zwillinge und die Einbindung in den automobilen Entwicklungsprozess ein Thema sein.

Extraktoren: Vom Programm zur LPDL

Dieser Artikel stellt die verschiedenen TwinSpace-Extraktoren vor, die verwendet werden, um Lastprofile für Programme zu generieren. Die Extraktoren arbeiten auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen, wie der C-Ebene, Objektdateien und Tracedaten, und bieten jeweils spezifische Vorteile bei der Analyse von nicht-funktionalen Eigenschaften wie Energieverbrauch und Laufzeit. Die Analyse auf der C-Ebene ermöglicht die Berücksichtigung hochsprachlicher Eigenschaften, während Objektdateien eine genauere Abschätzung des kompilierten Programms erlauben. Die hardware-nahe Untersuchung mittels Tracedaten bietet letztlich die höchste Genauigkeit. Durch die Kombination dieser Ansätze kann ein umfassendes Bild der nicht-funktionalen Eigenschaften eines Programms erhalten werden, was für die Planung und Effizienzsteigerung in verschiedenen Anwendungen von großer Bedeutung ist.

Mit Ressourcenzwillingen zur effizienten Softwareentwicklung – der TwinSpace Ansatz

Ressourcenzwillinge sind spezialisierte Modelle, die das nicht-funktionale Verhalten von Software – wie Speicherauslastung, Laufzeit, Prozessorlast und Stromverbrauch – präzise nachbilden, ohne dabei deren funktionale Abläufe zu kopieren. Diese Methodik eröffnet vielseitige Möglichkeiten: Entwickler können den Ressourcenbedarf einer Software bereits abschätzen, bevor sie vollständig entwickelt oder ausgeliefert wird. Das schützt nicht nur geistiges Eigentum, sondern fördert auch eine effiziente Ressourcennutzung. Die Erstellung dieser Zwillinge erfolgt automatisch durch innovative Zwillingsgeneratoren, die im Rahmen des TwinSpace-Projekts entwickelt werden.

LPDL: Eine maßgeschneiderte Sprache zur Dokumentation von Lastprofilen

Digitale Zwillinge spiegeln nicht nur den aktuellen Zustand wider, sondern antizipieren auch zukünftige Entwicklungen, simulieren Szenarien und bieten wertvolle Einsichten für die Optimierung realer Entwicklungsprozesse. Doch um diese komplexen digitalen Modelle effizient und präzise zu gestalten, benötigen wir leistungsfähige Werkzeuge, die den speziellen Anforderungen dieser virtuellen Welten gerecht werden. Genau hier setzt die in TwinSpace entwickelte “Load Profile Description Language”, kurz LPDL, an.

Projektpartner

Assoziierte Partner

Ermöglicht durch

Kontakt

Dr.-Ludwig-Kraus-Str. 6, 

85080 Gaimersheim

Deutschland

Manuel Schmidt (CIT)

Administrativer Projektleiter

Dr.-Ing. Konrad Häublein (E:FS)

Technischer Projektleiter