Hardware-Software Co-design bezeichnet den integrierten Entwurfsansatz, bei dem Hardware- und Softwarekomponenten simultan entwickelt werden, um die Gesamtleistung eines Systems zu optimieren. Dieser iterative Prozess ermöglicht es Designern, die Interaktionen zwischen Hardware und Software frühzeitig zu berücksichtigen und somit die Effizienz, Flexibilität und Performance von Systemen zu maximieren. Ziel ist es, sowohl die Hardware-Architektur als auch die Software-Algorithmen so zu gestalten, dass sie optimal zusammenarbeiten.
Die Ursprünge des Hardware-Software Co-designs reichen bis in die 1980er Jahre zurück, als die Komplexität von Systemen zunahm und die Grenzen der traditionellen Designmethoden offensichtlich wurden. Die Entwicklung von Application Specific Integrated Circuits (ASICs) und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) ermöglichte eine flexiblere Hardware-Implementierung, während gleichzeitig die Softwareentwicklung durch Programmiersprachen wie C und später C++ revolutioniert wurde.
Mit dem Aufkommen von System-on-Chip (SoC)-Architekturen in den frühen 2000er Jahren wurde Hardware-Software Co-design noch wichtiger, da SoCs eine Vielzahl von Funktionen in einem einzigen Chip integrieren. Technologische Fortschritte in der Fertigung, insbesondere der Übergang zu kleineren Fertigungsprozessen wie 5nm und der Einsatz von Extreme Ultraviolet Lithography (EUV), haben die Möglichkeiten für komplexere und leistungsfähigere Designs erheblich erweitert.
Die Einführung von 5nm-Fertigungstechnologien hat die Grenzen der Miniaturisierung und Energieeffizienz neu definiert. Diese Technologien erlauben es, mehr Transistoren auf einem Chip unterzubringen, was die Leistungsfähigkeit erheblich steigert und gleichzeitig den Energieverbrauch senkt.
GAA FETs sind eine vielversprechende Technologie, die eine verbesserte Kontrolle über den Kanal eines FETs ermöglicht. Diese Technologie ist besonders relevant für die Entwicklung von Chips in den nächsten Fertigungsprozessen, da sie die Schaltgeschwindigkeit erhöht und den Leckstrom reduziert.
EUV ist eine Schlüsseltechnologie für die Herstellung von Halbleitern im sub-7nm-Bereich. Mit EUV können Designer komplexe Muster mit höherer Präzision erstellen, was zu einer verbesserten Chip-Leistung und -Dichte führt.
Hardware-Software Co-design ist entscheidend für die Entwicklung von AI-Systemen, die auf spezialisierte Hardware wie GPUs oder TPUs angewiesen sind. Die Optimierung der Software zur Nutzung dieser Hardware-Ressourcen maximiert die Verarbeitungsgeschwindigkeit und Effizienz.
In der Netzwerktechnologie ermöglicht Hardware-Software Co-design die Entwicklung effizienter Routing-Algorithmen und -Protokolle, die auf spezialisierte Netzwerkhardware abgestimmt sind. Dies führt zu schnelleren und zuverlässigeren Netzwerken.
In der Computertechnik wird Co-design verwendet, um die Interaktion zwischen Softwareanwendungen und der zugrunde liegenden Hardware zu optimieren, was die Benutzererfahrung und Systemleistung verbessert.
Die Automobilindustrie profitiert von Co-design-Ansätzen, insbesondere bei der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen und autonomen Fahrzeugen, wo die Integration von Sensoren, Aktuatoren und Softwarealgorithmen entscheidend ist.
Die Forschung im Bereich Hardware-Software Co-design konzentriert sich auf mehrere Schlüsselbereiche:
Durch die fortlaufende Zusammenarbeit zwischen Hardware- und Softwareentwicklern wird Hardware-Software Co-design weiterhin eine zentrale Rolle in der Evolution moderner Technologien spielen.