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Spektrum

Algorithmik

Effiziente Algorithmen und Datenstrukturen sind Grundvoraussetzung für anspruchsvolle Computeranwendungen in allen Bereichen unseres täglichen Lebens.

Hauptziel der Algorithmenforschung an der Fakultät für Informatik ist die systematische Entwicklung effizienter Algorithmen für praktikable Lösungen, die gleichzeitig mit guten theoretischen Leistungsgarantien insbesondere in den Bereichen aufwarten können, wo sich in der Vergangenheit Lücken zwischen Theorie und Praxis aufgetan haben. Hier beschäftigt man sich u. a. mit den Bereichen Graphenalgorithmen, algorithmische Geometrie sowie verteilte und parallele und verteilte Algorithmen.

Im Mittelpunkt von Algorithm Engineering steht ein von falsifizierbaren Hypothesen getriebener Kreislauf aus Entwurf, Analyse, Implementierung, und experimenteller Bewertung von praktikablen Algorithmen. Realistische Modelle, für Maschinen und Anwendungen, sowie Algorithmenbibliotheken und Sammlungen realer Eingabeinstanzen erlauben eine zusätzliche Kopplung an Anwendungen.

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Eingebettete Systeme

Eingebettete Systeme verrichten – weitestgehend unsichtbar für den Benutzer – den Dienst in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen und technischen Geräten, wie beispielsweise in Mobiltelefonen oder allgemein in Geräten der Haushalts- und Unterhaltungselektronik.
Oft werden eingebettete Systeme speziell an eine Aufgabe angepasst.

An der Fakultät für Informatik in Karlsruhe beschäftigen sich Wissenschaftler mit dem Entwurf, der Optimierung und den Architekturen der nächsten Generationen von eingebetteten Systemen unter besonderer Berücksichtigung ubiquitärer Systemeigenschaften.

Low Power Design-Verfahren und Low Power Management werden dabei ebenso erforscht wie Configurable Multi-Processor System-On-Chip (MPSoC) Entwurfsverfahren und Architekturen, deren anwendungsspezifische Instruktionssätze sowie On-Chip Netzwerke.

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Kognitive Systeme

Im Mittelpunkt des Forschungschwerpunktes Kognitive Systeme an der Karlsruher Fakultät für Informatik stehen menschzentrierte Technologien und Anwendungen auf der Basis von Biosignalen, wie beispielsweise der Erfassung, Erkennung, und Interpretation von Sprache, Muskel- und Hirnaktivitäten.

Im Bereich Spracherkennung werden insbesondere Verfahren und Algorithmen entwickelt, die eine schnelle und effiziente Portierung von sprachverarbeitenden Systemen auf ungesehene Domänen und Sprachen erlauben.

Darüber hinaus werden Biosignale des Menschen und deren Eignung für intuitive und effiziente Mensch-Maschine Schnittstellen untersucht. Derzeit werden zahlreiche Schnittstellen und Anwendungen entwickelt, die auf elektromyographischen, elektroenzephalographischen und biomechanischen Signalen basieren.

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Kommunikation und ubiquitäre Systeme

Beispiele für zukunftsweisende Informatikforschungen der Telematik sind die Arbeiten der Fakultät im Bereich der Mobilkommunikation.

Informatiker integrieren die Nutzung verschiedener Netze – wie Fest- oder Funknetze –, verschiedener Rechnersysteme und vielfältiger Softwarekomponenten, um den Anwendern eine effiziente Benutzung zahlreicher Dienste zu ermöglichen.

Intelligente, personenbezogene Assistenzfunktionen werden dabei von zahlreichen kooperierenden Systemen erbracht, die in alltäglichen Gebrauchsgegenständen untergebracht sein können. Diese Systeme sind miteinander vernetzt, interagieren mit ihrer Umwelt und sind außerdem an existierende Kommunikationsnetze angebunden.

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Kryptographie

Um vertrauenswürdige Rechneranwendungen, welche Sicherheit in den zunehmend komplexer werdenden Informatikanwendungen, IT-Systemen und Infrastrukturen bieten, dreht sich die Forschung im Schwerpunkt Kryptographie.

Die wichtigste Aufgabe dabei ist der Entwurf von Sicherheitsprotokollen von der abstrakten Beschreibung bis hin zu einer prototypischen Realisierung. Es müssen aktuelle und zukünftige Bedrohungen identifiziert werden sowie formale Modelle und mathematische Beweise in den gesamten Entwurfsprozess eingebunden werden.

Wichtige Forschungsergebnisse des Europäischen Instituts für Systemssicherheit (E.I.S.S.) an der Fakultät für Informatik sind etwa der erste Chipkarten-basierte Zugangsschutz zu einem Rechnernetz oder eines der ersten Public-Key-Kryptographie-Protokolle mit Schlüsselmanagement sowie eine sehr frühe Implementierung und Nutzung eines Firewall-Rechners. All diese Techniken sind inzwischen Standard.

Ergebnisse der jüngsten Zeit sind die ersten formalen Sicherheitsmodelle, die einen modularen Entwurf unterstützen und Bedrohungen wie Erpressung oder Protokollabbruch berücksichtigen, der derzeit beste Entwurf einer Spezialhardware zum Brechen des RSA-Verfahrens sowie praktische Vorschläge, wie die Erhöhung der Sicherheit von digitalen Signaturen mit Kamerahandys.

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Logik und Formale Methoden

Im Forschungsschwerpunkt Logik und Formale Methoden spielt sowohl die Pflege der reichhaltigen, auf die mathematische Logik zurückgehende Tradition dieses Gebiets eine wichtige Rolle als auch die Anwendung und Weiterentwicklung logischer Methoden und Resultate auf aktuelle Problemstellungen der Informatik.

Aktuelle Forschungsbereiche sind die formale Spezifikation und automatische Verifikation von Software.

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Robotik

Zu den wichtigen Forschungsschwerpunkten der Karlsruher Informatik zählt die Robotik. Sie beschäftigt sich mit der mechanischen Modellierung, der Regelung und der elektronischen Steuerung von Robotern mit dem Ziel, durch Programmierung ein gesteuertes Zusammenarbeiten der Roboter-Elektronik und Roboter-Mechanik herzustellen.

Die Robotik als wissenschaftliche Disziplin umfasst neben Teilgebieten der Informatik (insbesondere der Künstlichen Intelligenz) auch Bereiche der Elektrotechnik und des Maschinenbaus. Vor allem in den Bereichen der Fabrikautomation, der Medizintechnik und der humanoiden Roboter beteiligen sich Forschungsgruppen der Fakultät für Informatik an DFG-Sonderforschungsbereichen und zahlreichen industrienahen Forschungsprojekten.

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Sensor-Aktor-Netzwerke

Verteilte Netzwerke, bestehend aus hunderten, möglicherweise tausenden von miniaturisierten und autonomen Sensor-Aktor-Systemen werden die Beobachtung und Regelung verteilter Phänomene revolutionieren.

Typische Anwendungen sind die Beobachtung großer geographischer Gebiete, intelligente Gebäude, mikroskopisch kleine Sensoren und Aktoren im oder am menschlichen Körper und Sensoren zur Überwachung von Geräten und Maschinen.

Durch die große Anzahl von Systemen kann auch bei einer geringen Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der individuellen Sensor-Aktor-Systeme die notwendige Toleranz gegenüber Fehlern und Ausfällen erreicht werden.

Im Forschungsschwerpunkt Sensor-Aktor-Netzwerke stehen die unterschiedlichen Herausforderungen an die Architektur von Sensor-Aktor-Netzwerken, an deren effizienten Betrieb und die gemeinsame Entwicklung systematischer Vorgehens- und Referenzmodelle im wissenschaftlichen Fokus.

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Softwaretechnik

Das Arbeitsfeld Software-Technik als Ingenieursdisziplin umfasst alle Themen in
Zusammenhang mit der systematischen Erstellung großer Softwaresysteme und
reicht von der Architekturgestaltung über Entwicklungsmethoden, -werkzeuge
und -umgebungen bis hin zu Verfahren für die Sicherung von Qualität und
Wirtschaftlichkeit der Programmierung und moderne Arten der Datenhaltung.

Die enge Verzahnung von Software-Architektur, Software-Komponenten,
Modellgetriebener Entwicklung und Software-Qualität ist Schwerpunkt des
Forschungsbereichs »Software-Entwurf und -Qualität«.
Im Mittelpunkt stehen insbesondere Verfahren zur systematischen Vorhersage
von Qualitätseigenschaften von Software wie Performanz und Zuverlässigkeit
auf der Basis von Software-Architekturmodellen.

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Verifikation

Die Forschungsgruppe »Verifikation trifft Algorithmik« am Institut für Theoretische Informatik befasst sich mit Verfahren zur Qualitätssicherung (Verifkation) von Hard- und Software einschließlich der zugehörigen Grundlagenforschung (Algorithmik).

Ein Schwerpunkt ist dabei die Weiterentwicklung von grundlegenden logischen Entscheidungsverfahren (z. B. SAT-Solving), die im Kern vieler Verifikationstools Verwendung finden. Forschungsthemen sind in diesem Bereich u. a. die Konstruktion neuer Algorithmen für in der Praxis auftretende Probleme, deren Anpassung auf moderne Hardwarearchitekturen (Multi-Core, Grid) sowie die Analyse der inneren Struktur solcher Probleme.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Nutzbarmachung von Verifikationsmethoden für industrielle Probleme (Produktkonfiguration, Software-Verifikation), insbesondere für die Automobilindustrie.

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