Am Sonntag den 19 Januar 2025, hat die Universität Paderborn ihren traditionellen Neujahrsempfang mit rund 400 Gästen aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik gefeiert.
In diesem Zuge erhielt Alexander Philipp Nowosad eine Honorierung für seine herausragende Abschlussarbeit mit dem Titel „„Design and Realization of an Intra-FPGA ROS 2 Communication Infrastructure for the ReconROS Executor“. Wir gratulieren herzlich!
Nowosad erzielte mit seiner Masterarbeit eine bedeutende Verbesserung für FPGA-basierte Robotiksysteme. Bisher war es erforderlich, sämtliche Kommunikation zwischen Komponenten eines FPGAs in den Hauptspeicher oder die Software zurückzuführen, wenn eine Komponente ausgetauscht wurde.
Dank der Arbeit von Alexander Philipp Nowosad ist es nun möglich, Komponenten dynamisch auf dem FPGA auszutauschen, ohne die bestehende interne Kommunikation zu unterbrechen. Dadurch wird die Effizienz des Systems erheblich gesteigert und flexible Anpassungen in Echtzeit möglich.
Aufbauend auf diese Arbeit liegt sein aktueller Forschungsschwerpunkt im Bereich der Robotik mit FPGAs, dabei geht es weniger um die spezifische Kommunikation und den Austausch von Komponenten, sondern vielmehr darum, bestimmte Teile von Robotik-Anwendungen gezielt zu beschleunigen.
„Ich freue mich sehr, Alexander Philipp Nowosad als wissenschaftlichen Mitarbeiter gewonnen zu haben und freue mich auf die weitere Zusammenarbeit!“, so der Leiter der Arbeitsgruppe Technische Informatik, Prof. Dr. Marco Platzner.
Laudatio von Herrn Prof. Dr. Marco Platzner
Herr Alexander Philipp Nowosad beschäftigt sich in seiner Masterarbeit mit dem Einsatz von Field-programmable Gate Arrays (FPGAs) in Robotiksystemen. FPGAs sind elektronische Bausteine, die ihre Hardware durch einen Programmiervorgang an die zu berechnende Funktion anpassen können. Für vielen Anwendungen erlaubt diese Art der flexiblen Hardware die Umsetzung von Funktionen mit wesentlich höherer Performanz und höherer Energieeffizienz als es mit herkömmlichen Mikroprozessoren möglich ist. Diese FPGA-Implementierungen werden in der Literatur als Hardwarebeschleuniger bezeichnet. Auch im Anwendungsgebiet der Robotik finden sich Funktionen mit hohen Anforderungen an die Rechenleistung, für die FPGAs sehr gut geeignet sind. Beispiele dafür sind die Verarbeitung von Sensorsignalen und Verfahren zur Lokalisation und Navigation von Robotern.
Der Einsatz von FPGAs als Hardwarebeschleuniger in der Robotik ist ein aktuell viel diskutiertes Thema mit einer zunehmenden Anzahl wissenschaftlicher Publikationen sowie ersten kommerziellen Produkten. Allerdings wird der Einsatz dieser Technologie derzeit durch die Komplexität der FPGA-Programmierung noch stark eingeschränkt. Klassischerweise erfordert die FPGA-Programmierung Kenntnisse des Hardwareentwurfs und fortgeschrittene Möglichkeiten von FPGAs, wie zum Beispiel die dynamische und partielle Rekonfiguration, bei der nur ein Teil der Hardwareressourcen zur Laufzeit angepasst werden, darüber hinaus tiefes Expertenwissen. Diese Ebene der Hardware-Programmierung steht in deutlichem Gegensatz zu den Abstraktionen der Software-Programmierung. Im Bereich der Robotik gilt heute das Robot Operating System (ROS) als de-facto Standard. ROS modelliert im Sinne einer Softwareabstraktion eine Robotikanwendung durch eine Menge von Funktionen, den sogenannten ROS Nodes, die über verschiedene Kommunikationsarten kommunizieren können. Auf der technischen Ebene ist ROS eine verteilte Middleware, die auf einem Gastbetriebssystem aufsetzt.
Der neue Ansatz, den Herr Nowosad in seiner Arbeit verfolgt, ist die Integration von Hardwarebeschleunigern als sogenannte Hardware-Threads in ROS-basierte Anwendungen. Threads sind bekannte und weit verbreitete Softwareabstraktionen in der Programmierung, speziell in Betriebssystemen und in eingebetteten Systemen. Auch in ROS spielen Threads eine zentrale Rolle, dort werden ROS Nodes als Betriebssystem-Threads implementiert. Der neue Ansatz erlaubt es nun, ROS Nodes nicht nur in Software, sondern auch in FPGA-Hardware umzusetzen, wobei die Sicht auf beide Umsetzungsformen der Threads, Software oder Hardware, identisch ist und damit die Integration von Hardwarebeschleunigern in die ROS-Welt stark vereinfacht wird. Dadurch, dass in FPGAs mehrere ROS Nodes dynamisch geladen und parallel ausgeführt werden können, die untereinander und mit den ROS Nodes in Software kommunizieren, ergeben sich aber eine Reihe von neuen Herausforderungen. Dazu gehören die Entwicklung von Verfahren für eine effiziente Kommunikation zwischen ROS Nodes in Hardware, ohne jeweils über die Betriebssystemebene gehen zu müssen, und die Vermeidung von Deadlocks bei der Ausführung von ROS Nodes.
Basierend auf einer umfassenden und tiefen Analyse verwandter Arbeiten ist Herr Nowosad diese Herausforderungen angegangen. Er hat einerseits starke konzeptionelle Beiträge für die Lösung der Probleme geliefert, sich aber auch mit außerordentlich hohem Einsatz der großen Herausforderung einer praktischen Umsetzung in Software und Hardware sowie der Entwicklung eines prototypischen Systems gestellt. Erst anhand eines Prototyps ist eine quantitative experimentelle Bewertung des Ansatzes möglich. Seine Entwicklungen sind von ausgezeichneter Qualität und stellen ohne Zweifel einen wichtigen Beitrag zum effizienten und flexiblen Einsatz der FPGA-Technologie in der Robotik dar, sowohl im wissenschaftlichen Kontext als auch in der praktischen Umsetzbarkeit.
Die schriftliche Ausarbeitung ist in Englisch verfasst, durchwegs sehr klar strukturiert und äußerst sorgfältig gestaltet. Sie entspricht damit der ausgezeichneten Qualität der Arbeit. In den Präsentationen seiner Arbeit konnte Herr Nowosad die Motivation, die Herausforderungen und seine innovativen Lösungen sehr gut verständlich darlegen. Ich freue mich, dass mit Herrn Nowosad ein außergewöhnlicher Nachwuchswissenschaftler diese Auszeichnung erhält und gratuliere ihm herzlich dazu, verbunden mit den besten Wünschen für seine sicherlich erfolgreiche Zukunft.
Prof. Dr. Marco Platzner
