Het ontwerpen van embedded systemen heeft altijd hoog op de Nederlandse onderzoeksagenda gestaan. Veel van het fundamentele onderzoek is inmiddels gebundeld in het onderzoeksprogramma Progress (Program for research on embedded systems and software).
Het klassieke voorbeeld van embedded elektronica is de wasmachinechip die ervoor zorgt dat het apparaat de juiste wasstappen doorloopt, nadat de gebruiker aan de knoppen heeft gedraaid. Tegenwoordig is een embedded systeem, bijvoorbeeld in een auto of een televisie, vele malen complexer. Dat roept om robuuste ontwerpmethoden, want een ingebakken fout herstel je niet een-twee-drie. Het ontwerp van dergelijke methoden vraagt echter om een fikse onderzoeksinvestering.
Die noodzaak en de aanwezigheid van een stevige lobby uit het Nederlandse bedrijfsleven maken dat embedded systemen eigenlijk altijd hoog op de Nederlandse onderzoeksagenda gestaan hebben. Welke nieuwe constructie voor de verdeling van onderzoeksgelden de ministeries in Den Haag ook verzinnen, embedded systemen zijn er vrijwel altijd bij. Momenteel is veel van het meer fundamentele onderzoek gebundeld in Progress (Program for research on embedded systems and software).
“Progress is ontstaan toen embedded systemen in 1996 gepasseerd werden voor een technologisch topinstituut”, vertelt Eric van Utteren, gepensioneerd Philips-man en voorzitter van Progress. “De toenmalige partners hebben indertijd besloten tóch door te zetten. Dat leidde tot twee initiatieven: het onderzoeksprogramma Progress en het Embedded Systems Institute (ESI) in Eindhoven, waarin universiteiten en bedrijfsleven samenwerken aan industrieel onderzoek. Progress is in 1998 van start gegaan. Het was indertijd het eerste grootschalige onderzoeksprogramma met een aanzienlijke financiële inbreng uit de industrie.”
Ventures
“Nederland is altijd al sterk geweest op het gebied van ontwerpen”, stelt Van Utteren. “Als je kijkt naar de bijdragen bij conferenties en de verworven Europese subsidies, dan hebben we al lang een hoog aandeel. We zijn echter wat minder goed in het vertalen van academische resultaten naar de economie.”
De wereld van embedded systemen lijdt, met andere woorden, aan hetzelfde euvel dat een groot deel van de Nederlandse industrie teistert: een te lange tijd tussen vondst en commercialisatie, en een gebrek aan innovatief elan. Binnen Philips is het traject van idee naar chip al lang, laat staan als het begint op een universiteit. Een dilemma bij een programma als Progress is bovendien dat de grote bedrijven (Philips, ASML en Océ) invloed op de inhoud van het onderzoek uitoefenen. De onderzoeksstructuur is hierdoor op hen afgestemd. De mogelijkheden voor het mkb komen daardoor in de verdrukking, erkent Van Utteren.
“Die grote bedrijven hebben een structuur om academische resultaten op te pikken en te vertalen”, zegt hij. “Het mkb heeft dat niet, terwijl daar toch de grootste slagkracht voor vernieuwing zit. Daarom leggen we daar tegenwoordig meer nadruk op binnen de gebruikerscommissies. Kennisoverdracht gaat nu eenmaal het best via technici. Boekjes zijn voor beleidsmakers. Ook zijn we tegenwoordig alerter op bijvoorbeeld aio’s die een eigen bedrijf willen beginnen. Progress heeft al drie startups opgeleverd.”
Cultuuromslag
Tot die startups behoort het jonge Twentse bedrijf Recore, ontwerper van een chip waarvan de architectuur zich real-time laat aanpassen aan externe gebruikseisen zonder dat het energieverbruik enorm oploopt. Het bedrijfje won de ING Bank Startersprijs en was eerder genomineerd voor de ICT-Regie Award (zie ook Computable 19, 2006).
“Toch is een soort cultuuromslag gaande”, vervolgt Van Utteren. “Kijk bijvoorbeeld naar de FHI, de federatie van technologiebranches in de instrumentatie. Gezamenlijke research & development beschouwingen hebben daar onder andere geleid tot de oprichting van Devlab, waarin twaalf mkb-bedrijven hun research & development op het terrein van embedded systemen bundelen. Dat werkt twee kanten uit. Aan de ene kant kunnen ze samen beter en met meer macht aan de universiteiten duidelijk maken wat ze willen. Anderzijds kunnen ze binnen Devlab meer afstand nemen van hun huidige producten en zich – met overheidssteun – op innovatie concentreren.”
Een tweede mogelijkheid voor het mkb om tot een betere samenwerking met kennisinstellingen te komen, is het inschakelen van het hbo. Hbo’ers fungeren nog zelden als schakel tussen onderzoek en praktijk. Een aio heeft er vaak geen oren naar om een uitgebreide programmable logic device (pld) te programmeren, omdat dit niet bijdraagt aan zijn onderzoeksstatuur. Maar het is vaak absoluut nodig om een wetenschappelijk resultaat voor het bedrijfsleven interessant te maken.
Van Utteren: “Het Leuvense chipslab Imec heeft bijvoorbeeld met enkele regionale hbo-instellingen de afspraak gemaakt dat er altijd enkele studenten van hen in Imec-projecten meedraaien. Die combinatie blijkt prima te werken, zowel voor de universiteit en het hbo als voor het mkb, omdat ze op veel kortere termijn concrete resultaten uit onderzoek halen. Dat moeten wij in Nederland ook op grotere schaal doen. De subsidiegevers moeten hun kijk op het hele onderwijs- en onderzoeksveld verbreden.”
Inhoudelijk ziet Van Utteren een aantal trends die het aanzien van het vakgebied veranderen. De gezamenlijke noemer is simpelweg de toenemende complexiteit van de toekomstige systemen. Hij geeft een voorbeeld: “Lang geleden had je bij Philips Semiconductors in Nijmegen een man of tien die samen de analoge one chip tv volledig in de vingers hadden. Maar zodra die chip digitale elementen ging bevatten, begon de ellende. Er kwam andere, digitale elektronica bij, er kwam software, de relatie front-end/back-end veranderde en het systeem werd zo groot, zo complex, dat die tien man alleen al voor het testen, meten en testbaar houden van de chip nodig waren.”
In die tijd waren universiteiten bovendien helemaal niet geïnteresseerd in testen. Onderzoek naar systematische testmethoden is pas sinds het digitale tijdperk goed van de grond gekomen. De complexiteit dwingt ontwerpers om systemen op te splitsen in componenten, die vervolgens moeten samenwerken. Dan geldt niet bij voorbaat dat testbare componenten eenvoudig leiden tot een testbaar geheel. Hetzelfde geldt voor andere kwaliteitseisen, zoals betrouwbaarheid, real-time gedrag en energieverbruik. Een grote uitdaging hierbij is dat de gestelde eisen vaak tegenstrijdig zijn.
Radiotelescoop
Een tweede trend is die van gedistribueerde of genetwerkte embedded systemen. Hierbij zijn de componenten weliswaar van elkaar gescheiden, maar moeten ze als collectief toch een bepaalde prestatie leveren. Voorbeelden zijn geautomatiseerde distributiesystemen en Lofar, het netwerk van 25.000 antennes die gezamenlijk een radiotelescoop met een diameter van 350 kilometer vormen.
Een derde trend is de ontwikkeling van embedded systemen met inbreng van vakgebieden buiten de traditionele computerwetenschap en informatica. Een voorbeeld is het lab-on-a-chip, dat minuscule hoeveelheden vloeistof analyseert. Dit vraagt bijvoorbeeld om gedegen kennis van instrumentatie, in combinatie met scheikunde of biotechnologie. Er zijn al chips die, als je er een druppel bloed op legt, testen of er een bepaalde stof in het bloed voorkomt. Door te kijken naar het toepassingsgebied ontstaan bovendien vormen van kennisoverdracht waar anders wellicht niet aan gedacht zou zijn. Zo blijkt de methode die ASML ontwikkelde om softwarematig de uiterst nauwkeurige lenzen van wafersteppers te corrigeren, goed toepasbaar om een betere beeldkwaliteit te krijgen met de goedkope lenzen in de camera’s van mobiele telefoons.
Voorhoede
Hoewel embedded systemen tot de voorhoede behoorden als het gaat om het betrekken van de industrie bij academisch onderzoek, waarschuwt Van Utteren dat een te grote afhankelijkheid van het bedrijfsleven niet goed is voor universiteiten, en uiteindelijk ook niet voor het bedrijfsleven.
Van Utteren: “We moeten ervoor waken dat universiteiten interessegericht onderzoek kunnen blijven doen. Het zijn tenslotte geen ingenieursbureaus. Tegelijkertijd moeten we ervoor zorgen dat hoogleraren niet allemaal op hun eigen ijsschots blijven zitten. Dat risico is niet alleen groot, het is gezien de trends ook slecht.”
Het inmiddels haast traditionele instrument voor programmasturing en industriële participatie is matching, waarbij een universiteit pas overheidssteun krijgt als sponsoren er een bedrag bijleggen. Volgens Van Utteren dreigt dat instrument echter zijn doel voorbij te schieten.
“Over twee trends binnen de nieuwste overheidssubsidiering maak ik mij zorgen voor het echte interessegedreven onderzoek aan universiteiten: matching en ecosysteem. De door EZ gehanteerde matching is voor universiteiten niet op te brengen en belemmert daardoor fundamenteel onderzoek op ons toegepaste domein. Ook het begrip ecosysteem leidt slechts tot fundamenteel onderzoek. ‘Focus en Massa’ is de achterliggende doelstelling, maar massa leidt zelden tot de voor fundamenteel onderzoek nodige focus.”
Goederen naar de juiste plek
Automatische distributie van goederen is een van de jongste projecten binnen ESI. Denk daarbij bijvoorbeeld aan de bagageafhandeling op een luchthaven. Duizenden koffers moeten tegelijkertijd over een complex systeem van transportbanden in korte tijd naar hun bestemming vervoerd worden. Een ander voorbeeld is de inpakcentrale van een postorderbedrijf. De producten van de schappen halen en in pakketjes stoppen is een grotendeels geautomatiseerd proces. De sensoren en andere componenten van dergelijke distributiesystemen bevatten allemaal embedded software. Daarbij is niet gezegd dat optimaal presterende onderdelen ook leiden tot een optimaal presterend geheel. Sommige eisen aan componenten kunnen met elkaar in tegenspraak zijn, zodat een optimale prestatie op het ene criterium de correcte werking op een ander onderdeel kan tegenwerken.
Daar komt bij dat dit soort systemen onzekerheden bevatten. Het label van een koffer kan gescheurd zijn, waardoor de streepjescode niet automatisch uitleesbaar is. Of een stapel boeken ligt iets scheef, waardoor de robot misgrijpt. De opdracht voor de onderzoekers van Falcon, zoals dit ESI-project heet, is een architectuur te verzinnen die met inachtneming van onzekerheden en ontwerpbeperkingen tot de beste prestaties leidt. Het onderzoek vindt plaats door onderzoekers van de drie technische universiteiten. Partner uit het bedrijfsleven is Vanderlande Industries, een Brabantse leverancier van distributiesystemen, die onder andere de ‘onderbuik’ van Schiphol ontwierp en bouwde.
Embedded instituten
Onderzoek op het gebied van embedded systemen vindt in allerlei verbanden plaats, die ook nog eens in elkaar grijpen. Progress is het belangrijkste onderzoeksprogramma. Het onderzoek wordt verricht door universiteiten en wetenschappelijke instituten als het CWI, samen met een commerciële partner. De resultaten van dit soort onderzoek zijn relevant voor de industrie, maar staan doorgaans nog ver van toepassing af.
– ESI is een onderzoeksinstituut, gevestigd op de campus van de TU Eindhoven. Binnen ESI werken industrieën samen met universiteiten aan projecten die dichter bij de praktijk staan. Vroeger zouden dit soort pre-competitieve projecten binnen de bedrijven zelf georganiseerd worden, maar de internationale trend hiervoor gaat richting outsourcing, omdat dat efficiënter zou zijn. Bovendien kan op deze manier overheidsfinanciering verkregen worden voor activiteiten die bedrijven vroeger voor eigen rekening namen.
– In DevLab, eveneens gevestigd op de TU Eindhoven, werken twaalf kleine en middelgrote technologiebedrijven samen aan research & development. Onderling hebben ze afgesproken jaarlijks één procent van hun loonsom in het onderzoek te steken. Het onderzoek is zeer concreet van aard, gericht op toepasbaarheid bij de aangesloten bedrijven.
