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Matthias Pruksch
Medizinprodukte im Multicore Zeitalter
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sepp.med gmbh 22
Motivation
Multicore Technologie ist Enabler
[4]
[email protected] 226.02.2014
[1]
[4]
Einbindung und Vernetzung von Medizinprodukten
Medizinprodukteam Point-of-Care
Flankierende TrendsAmbient Assisted LivingWearables in HealthcareBig Data
[1]
[3]
[2]
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sepp.med gmbh 3
Multicore ZeitalterSafety
Worst Case Execution TimeAbsence of InterferenceZertifizierung
SecurityChancenRisiken
Provokanter AusblickZusammenfassung
3
Agenda
[email protected] 26.02.2014
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sepp.med gmbh 16.07.2014
Multicore Zeitalter (1 / 2)
Warum Multicore Zeitalter?“Gesetz nach Moore” [7]
‘Anzahl der Transistorenverdoppelt sich alle24 Monate’
Trifft “Power Wall”Physikalische GrenzenVerlustleistung Transistorenüber Chipfläche abgebenFokus auf Effizienz
Performanz durch parallele Verarbeitung
44
Optimierung auf Performanz pro Watt
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sepp.med gmbh
Multicore Zeitalter (2 / 2)
Warum nachhaltige Softwareentwicklung?Zertifizierungsaufwand um die 80%Lebenszyklus Software viel länger als (elektron.) Hardware:
BibliothekenPlatformen
Wiederverwendung in:ProduktvarianteFolgeproduktProduktfamilie
Multicore Systeme habenVon zwei RechenkernenBis zu 1000
5
Intel: 2-core6-core
48-core
Software Version 1.0 Version 1.1 Version 1.2 Version 2.0
Hardware Version 1.0 V 1.1 V 2.0 V 2.1 V 2.2 V 3.0 V 3.1
[email protected] 526.02.2014
[8]
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sepp.med gmbh 6
Multicore ZeitalterSafety
Worst Case Execution TimeAbsence of InterferenceZertifizierung
SecurityChancenRisiken
Provokanter AusblickZusammenfassung
6
Agenda
[email protected] 26.02.2014
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sepp.med gmbh 77
Safety (1 / 5)
System Design Definiert durch Chip Hersteller
RAM
I/O
L1Core
L1Core
I/O I/O I/O I/O
Power
Mgmt
L1Core
L1Core
L1 L1L1 L1 L1 L1L1 L1
DMAPeripheral Bridge
L1 L1Level 2 Cache
Crossbar / Bus
L1 L1Level 2 Cache
Verteiltes System:
RAM
I/O
L1CPUL1L1
DMA
L1
RAM
I/O
L1CPUL1L1
DMA
L1
RAM
I/O
L1CPUL1L1
DMA
L1
Crossbar / Bus
Multicore:
26.02.2014
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sepp.med gmbh 26.02.2014
RAM
I/O
L1Core
L1Core
I/O I/O I/O I/O
Power
Mgmt
L1Core
L1Core
L1 L1L1 L1 L1 L1L1 L1
DMAPeripheral Bridge
L1 L1Level 2 Cache
Crossbar / Bus
L1 L1Level 2 Cache
88
Safety (2 / 5)
WCET Explosion aufgrund geteilter Ressourcen
Worst Case Execution Time (WCET):
Complexity
8
[4]
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sepp.med gmbh 26.02.2014
RAM
I/O
L1Core
L1Core
I/O I/O I/O I/O
Power
Mgmt
L1Core
L1Core
L1 L1L1 L1 L1 L1L1 L1
DMAPeripheral Bridge
L1 L1Level 2 Cache
Crossbar / Bus
L1 L1Level 2 Cache
99
Safety (3 / 5)
Multicore Systeme sind stark gekoppelt
Absence of Interference:Partitionierung in:
Adressraum und Zeit!Hypervisor (SW+HW):
Adressraum JaZeit?
Bedarf:Legacy Code!Konsolidierung!Mixed Criticality!
9
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sepp.med gmbh 26.02.2014 1010
Safety (4 / 5)
Zertifizierung:Verpflichtend:
DokumentationRisikobetrachtungProzesskonformitätNachverfolgbarkeit
(E/E/EP safety-related systems, IEC
61508)
Bietet der Chip Hersteller Unterstützung?
10
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sepp.med gmbh
Safety (5 / 5)
Globaler SIL-Modus tötet Skalierbarkeit
Die gute Nachricht? Multicore mit Safety Integrity Level, z.B.:
SIL-Modus:VerschiedensteSynchronisierungenPerformanzeinbruchNachhaltig?
IEC61508
ISO26262
Vendor Family Core Number
Clock /MHz
Comment
SIL 3 ASIL D Infineon Aurix [9] TriCore 3 200 Lockstep 2x
SIL 3 ASIL D STMicroelectronics SPC56L [5] e200z4d 2 120 Lockstep
SIL 3 ASIL D Texas Instruments TMS570LS [6] ARM Cortex-R4 2 180 Lockstep 2x
L1Core
L1Core
L1Core
L1Core
L1 L1L1 L1 L1 L1L1 L1 L1 L1Level 2 Cache
L1 L1Level 2 Cache
SyncSwitch off
1126.02.2014
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sepp.med gmbh 12
Multicore ZeitalterSafety
Worst Case Execution TimeAbsence of InterferenceZertifizierung
SecurityChancenRisiken
Provokanter AusblickZusammenfassung
12
Agenda
[email protected] 26.02.2014
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sepp.med gmbh 1313
Security – Chancen (1 / 5)
Gekapseltes System on Chip
RAM
I/O
L1Core
L1Core
I/O I/O I/O I/O
Power
Mgmt
L1Core
L1Core
L1 L1L1 L1 L1 L1L1 L1
DMAPeripheral Bridge
L1 L1Level 2 Cache
Crossbar / Bus
L1 L1Level 2 Cache
Verteiltes System:
RAM
I/O
L1CPUL1L1
DMA
L1
RAM
I/O
L1CPUL1L1
DMA
L1
RAM
I/O
L1CPUL1L1
DMA
L1
Crossbar / Bus
Multicore:
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sepp.med gmbh 16.07.2014 1414
Security – Chancen (2 / 5)
Security im Rauschen verstecken
Hardware Angriff: Unerlaubtes EindringenDifferential Power Analysis
Wo ist Security Check?Schlüssel brechen
Chance Multicore:Randomisierung
Echte parallele VerarbeitungVerteilung sensitiver Funktionen
14
[19]
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sepp.med gmbh 16.07.2014 1515
Security – Chancen (3 / 5)
Security parallelisiert überwachen
Hardware Angriff: Feindliche ÜbernahmeBeschuss mit Laser
Beliebige Bits ändernSecurity umgehenoder lahmlegen
Chance Multicore:Redundanz
Gegenseitige ÜberwachungMehrheitsentscheidungen
15
[19]
[19]FailureInjection
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sepp.med gmbh 16.07.2014 1616
Security – Chancen (4 / 5)
Aufwändige Analyse erschweren
Hardware / Software Angriff: Reverse EngineeringProbing & Forcing
FirmwareControlData
Chance Multicore:System on Chip
Komplexes SystemGeringe Bandbreite Debug Interface
16
[19] Electro-magneticAnalysis
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sepp.med gmbh 16.07.2014 1717
Security – Chancen (5 / 5)
Unterstützung & Beschleunigung nutzen
Software Angriff: SchadsoftwareKompromittiere
FirmwareControlData
Chance Multicore:Performanz
Crypto-EinheitenKonsistenzprüfung in Software
Separierung in „Trust Zones“
17
[21]
[22]
[23]
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sepp.med gmbh 16.07.2014 1818
Security – Risiken (1 / 2)
Vertrauen in Chip-Hersteller
Komplexes System:Chip Hersteller verantwortet:
System DesignSecurity Konzept
BackdoorsIm Ausland erzwingbar per Gesetz[17]
Besondere Aufmerksamkeit:Secure Element?Secure BootGeteilte Ressourcen
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sepp.med gmbh 16.07.2014 1919
Security – Risiken (2 / 2)
Ist das Management bereit für Security zu zahlen?
Informationsbedarf:Entwicklungsphase:
DebuggingTesting
Im Feld:DiagnoseWartung
Update / UpgradeÜberwachungFernsteuerung
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sepp.med gmbh 20
Multicore ZeitalterSafety
Worst Case Execution TimeAbsence of InterferenceZertifizierung
SecurityChancenRisiken
Provokanter AusblickZusammenfassung
20
Agenda
[email protected] 26.02.2014
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sepp.med gmbh 26.02.2014
Mixed-Criticality Multicore?EU FP-7 Projekte:
ACROSS (scalable time-triggered network on chip)MERASA (hard realtime for up to 16 cores)RECOMP (reduced certification costs for trustedmulticore platforms)
Herstellerreaktionen:Support for ISO26262Support for AvionicsKalray MPPA 256optimiert auf Latenz [20]
2121
Provokanter Ausblick (1 / 2)
Die Chip-Hersteller wollen
[10]
[11]
21
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sepp.med gmbh 26.02.2014
Achtung!„Rock´s law“ (Arthur Rock):
„Cost of a semiconductor chipfabrication plant doubles every fouryears“ [15]
Populäre Produkte, mehr ProfitMarkt:
Regulierte Domänen fragmentiertMobile: 210 million Smartphones verkauft Q1/2013 [16]
2222
Provokanter Ausblick (2 / 2)
Multicore Innovationen im Massenmarkt
Automotive 293
Automation 205
Avionics 22 Medical 17
Germany: Turnoverin billion € (2011)
Mobile Phones 1312,3
Smart Phones 487,7
Pads 63,2
Netbooks 29,4
Notebooks 209,6
Desktops 112,4
Worldwide: Units in million (2011)
[17]
[18]
22
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sepp.med gmbh 23
Multicore ZeitalterSafety
Worst Case Execution TimeAbsence of InterferenceZertifizierung
SecurityChancenRisiken
Provokanter AusblickZusammenfassung
23
Agenda
[email protected] 26.02.2014
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sepp.med gmbh
RAM
I/O
L1
Core
L1
Core
I/O I/O I/O I/O
Power
Mgmt
L1
Core
L1
Core
L1 L1L1 L1 L1 L1L1 L1
DMAPeripheral Bridge
L1 L1Level 2 Cache
Crossbar / Bus
L1 L1Level 2 Cache
26.02.2014 2424
Zusammenfassung
Multicore:Mehr Performanz pro WattEs gibt keine Alternative
Safety und Security:System Design durch HerstellerSIL: nachhaltige SkalierbarkeitKeine Safety ohne SecurityMangement muss Security wollen
Ausblick:Herausforderung Zertifizierung
Multicore gehört die Zukunft
[1]
24
[2] [11]
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sepp.med [email protected] 26
[1] (2014-10-10) http://healthmanagement.org/uploads/syngo.jpg?v12
[2] (2011-10-19) http://farm6.static.flickr.com/5131/5538155191_8651455117_z.jpg
[3] (2014-10-10) http://hotdigitalnews.com/wp-content/uploads/2014/01/iHealth_Wearable_PulseOximeter_PO7_b_610x400.jpg
[4] Kästner, Daniel (2010) “Vollständige Testabdeckung durchStatische Analysen”, Embedded goes medical, Nürnberg[5] STMicroelectronics SPC56EL70 Pressemitteilung, http://www.elektroniknet.de/automotive/assistenzsysteme/artikel/95287/
[6] Texas Instruments TMS570LS Produktbeschreibung, http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/safety_mcu/tms570_arm_cortex-r4/overview.page
Intel[7] Moore, Gordon E. (1965) "Cramming more components onto integrated circuits" (PDF). Electronics Magazine. pp. 4.[8] Intel Newsroom PRESSKIT
26
References (1 / 4)
26.02.2014
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sepp.med gmbh [email protected] 27
Infineon[9] Infineon Aurix Pressemitteilung, http://www.infineon.com/cms/de/corporate/press/news/releases/2012/INFATV201205-040.html
[10] (2013-11-29) Aurix TC275T/TC277T http://www.infineon.com/cms/de/product/microcontrollers/32-bit-tricore-tm-microcontrollers/aurix-tm-family/aurix-tm-%E2%80%93-tc275t/tc277t/channel.html?channel=db3a30433cfb5caa013d01df64d92edc
Freescale[11] Beck, Glenn et al. (2012-06) “Achieving System Certification with DSP, Power Architecture, AltiVecTechnologies and the OS Ecosystem”, p. 11, http://www.freescale.com/files/training_pdf/FTF/2012/americas/WBNR_FTF12_IND_F0122.pdf
27
References (2 / 4)
27
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sepp.med gmbh [email protected] 28
EU-Projects[12] ACROSS, http://www.across-project.eu/
[13] MERASA, http://ginkgo.informatik.uni-augsburg.de/merasa-web/
[14] RECOMP, http://atcproyectos.ugr.es/recomp/images/stories/deliverables/D2.1_final.pdf, p. 23, “1.4 main obstacles for certifying safty-critical multi-core products”
[15] (2013-11-29) http://en.wikipedia.org/wiki/Rock%27s_law
[16] Smartphone, http://www.heise.de/newsticker/meldung/Android-und-Samsung-bauen-Vormachtstellung-aus-1863062.html
[17] Schätz, Bernhard (2011) „Cyber-Physical Systems –Innovationsmotoren für Mobilität, Gesundheit, Energie und Produktion“, Dagstuhl Seminar 11441, p. 2
28
References (3 / 4)
28
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sepp.med gmbh [email protected] 29
[18] http://mashable.com/2012/02/03/smartphone-sales-overtake-pcs/
[19] Sigl, Georg (2013) „Chances and Risks for Security in Multicore Processors“, Dagstuhl Seminar 13052, http://www.dagstuhl.de/mat/Files/13/13052/13052.SiglGeorg.Slides.pdf
[20] http://www.kalray.eu/products/mppa-manycore/mppa-256/
[21] http://blogs.discovermagazine.com/80beats/category/technology/page/44/
[22] www.ti.com/lit/pdf/sprt654
[23] Caples, Andrew (2014) „IoT Security for Embedded Devices“, Multicore Developers Conference
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