Kategorie: Interviews

Eingeweihte auf dem Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden Mart Coenen zweifellos kennen. Seine Erfahrungen auf diesem Gebiet reichen bis in die frühen achtziger Jahre zurück, als er die erste EMV-Schulung bei Philips ins Leben rief. In der Zwischenzeit hat er sich seine Sporen bei Kunden wie dem Hafen von Rotterdam und ASML verdient. Er spricht immer noch mit unvermindertem Enthusiasmus über sein Fachgebiet – fragen Sie einfach einen der Teilnehmer der Schulung „EMC in Power Electronic Systems“ am High Tech Institute.

 

Mart Coenen ist ausgebildeter Elektroingenieur und begann sein Arbeitsleben im Philips Natlab. Damals gab es noch keine Gesetze oder Vorschriften auf dem Gebiet der EMV, aber bei Philips hielt man es für wichtig, dass die Mitarbeiter gründliche Kenntnisse zu diesem Thema hatten. „Zusammen mit Jap Goedbloed habe ich 1981 den ersten EMV-Schulungskurs ins Leben gerufen. Zunächst handelte es sich um eine interne Schulung bei CTT, aber schon bald wurde sie zu einem nationalen Kurs erweitert, der von Pato, später PAO, organisiert wurde. Inzwischen ist dies vielleicht der am längsten laufende Kurs, den sie anbieten“, sagt Coenen stolz. 1988 begann er, sich für die internationale Standardisierung von EMC einzusetzen. Bis heute ist er in allen möglichen Ausschüssen aktiv, die sich mit den Gesetzen und Vorschriften zu EMV, ESD und elektrischer Sicherheit befassen.

Mart Coenen ist Teil des Trainerteams, zusammen mit Ramiro Serra von der TUE, Mark van Helvoort von Philips Healthcare und Ernest Bron von Analog Devices.

1994 gründete Coenen sein eigenes Unternehmen, EMCMCC, angetrieben durch eine Menge Arbeit mit kleineren Kunden, die er unter der Flagge von Philips nicht bedienen konnte (oder durfte). Er arbeitete für die Rotterdamer Hafenbehörde, die aufgrund der vielen Streiks gezwungen war, ihre Containerumschlagsprozesse zu automatisieren. Von seinem eigenen Unternehmen aus arbeitete er auch als Berater für ASML, wo er an dem 450-mm-Wafer-Projekt beteiligt war. Für jede Bewegung im Prozess musste die genaue Position des Wafers bestimmt werden. Das war schwierig, weil die Störungen im System Messfehler verursachten. „Innerhalb von neun Monaten haben wir ein völlig neues Konzept entwickelt, das dann auch umgesetzt wurde. Unter anderem deshalb gab es weniger Störungen, so dass weniger Berechnungsaufwand für die Bestimmung der genauen Position erforderlich war. Infolgedessen konnte der Herstellungsprozess der Wafer von 200 auf 400 Wafer pro Stunde hochgefahren werden.“

Nachverfolgung

„Bei meiner Arbeit habe ich festgestellt, dass die Leute oft glauben, dass ein System, das eine CE/EMV-Zulassung hat, auch richtig funktioniert. Dennoch treten regelmäßig Betriebsprobleme auf, die oft im Bereich der EMV liegen“, betont Coenen. „Schließlich ist eine EMV-Systemzulassung keine Garantie für ein zuverlässig funktionierendes System. Es ist wichtig, darauf zu achten, was passiert, wenn ein System vorübergehend unterbrochen wird, und sich darüber klar zu werden, welche Folgen diese Unterbrechung für das System haben kann. Handelt es sich um eine Unterbrechung, die überhaupt keinen Einfluss hat? Oder eine, bei der es einen vorübergehenden Ausfall gibt, aber nach dem Neustart alles ordnungsgemäß weiterläuft? Oder ist ein harter Neustart des Systems erforderlich, oder müssen sogar Teile ausgetauscht werden? Es ist wichtig zu wissen, dass der Prozess nicht immer ordnungsgemäß weiterläuft. Es kann sein, dass selbst die kleinste vorübergehende Störung unzulässig ist. Wenn Sie beispielsweise Wafer herstellen, die eine Genauigkeit von 2 nm erfordern, dann ist eine vorübergehende Abweichung von 20 nm inakzeptabel, denn das würde bedeuten, dass Sie die belichteten Wafer wegwerfen müssen. Das ist natürlich nicht das, was Sie als Kunde wollen. Für diese Art von Problem muss eine geeignete Lösung gefunden werden.“

Das Tückische daran ist, dass sich die Signale oft in einem Bereich befinden, in dem es an Regulierung mangelt. Sowohl bei den Netz- als auch bei den Einschaltströmen ist alles geregelt, aber bei Signalen in beweglichen Systemen ist das nicht der Fall. Diese Art von Signalen liegt typischerweise im Frequenzbereich zwischen DC und 150 kHz. Auf der einen Seite haben Sie ein elektronisches Signal, das eine Verschiebung steuert. Auf der anderen Seite gibt es das Signal eines Sensors, der Informationen zur Bestimmung des Standorts abruft. Diese beiden Signale können sich gegenseitig beeinflussen. In der Bewegungstechnik sind Sie an die Signalfrequenzen gebunden, die Sie für die Verschiebungen benötigen. Diese Frequenzen können Störungen verursachen, die von den Sensoren aufgefangen werden. Der Trick besteht darin, zu lernen, wie man mit ihnen umgeht.

'It’s the search for a solution and eventually finding it that gives me a pleasant adrenaline rush.'

„Selbst nach all den Jahren ist die EMC-Branche immer noch attraktiv für mich. Es ist immer eine Herausforderung, etwas zum Laufen zu bringen. Und wenn es nicht funktioniert, ist es eine Herausforderung, die richtige Lösung zu finden. Manchmal ist die Lösung offensichtlich, manchmal ist sie schwieriger. Die Suche nach einer Lösung und das Finden dieser Lösung verschafft mir jedes Mal einen angenehmen Adrenalinstoß. Außerdem ist das Feld noch sehr in Bewegung. Immer mehr geschieht über das Internet der Dinge, wobei immer mehr Sensoren Daten erzeugen. Dennoch müssen wir uns immer wieder die Frage stellen, wie zuverlässig diese Daten sind und wie nützlich sie tatsächlich sind. Auch ich verfolge diese Entwicklungen mit Interesse.“

Praktische Übungen

Während der Schulung „EMV in leistungselektronischen Systemen„, die Teil des Portfolios des High Tech Institute-Partners T2Prof ist, erhalten die Teilnehmer einen Einblick in die Probleme, die in Antriebssystemen auftreten können, und lernen, was dagegen zu tun ist. Coenen: „In dieser Schulung konzentrieren wir uns auf den Bereich, der außerhalb der Normen liegt und lehren unsere Studenten, ein zuverlässiges System zu schaffen, das rund um die Uhr einsatzbereit ist. Obwohl diese Schulung für das High Tech Institute relativ neu ist, habe ich als Lehrer für CTT, Pato, Mikrocentrum, Avans und die Fontys University of Applied Sciences bereits eine Menge Erfahrung gesammelt. Ich habe die Erfahrung gemacht, dass die Studenten den Stoff anfangs sehr schwierig finden, aber wenn man ihnen während des Kurses die richtige Theorie vermittelt und sie selbst üben lässt, können sie das Gelernte anschließend sehr gut in die Praxis umsetzen.“

Check out the training

'There are demos and students can do their own simulations on setups. '

Die Schulung richtet sich an Mechatroniker, Elektroingenieure und Systemarchitekten, die bei ihrer Arbeit mit niederfrequenten Störungen (von DC bis ca. 150 kHz) zu tun haben, die durch Bewegungs- und Energieumwandlungssysteme verursacht werden. Die Teilnehmer lernen, in Systemen zu denken und Probleme zu antizipieren, denen sie in der Praxis begegnen. Coenen: „Neben der Signaltheorie, die auf physikalischen Gesetzen, der Netzwerktheorie und dem Wissen über das Verhalten von Kabeln beruht, gibt es auch einen praktischen Teil. Es gibt Demos und die Studenten können ihre eigenen Simulationen an Aufbauten durchführen. Es ist wichtig, dass sie während des Kurses lernen, was sie messen können und wie sie es tun sollten. Ich freue mich darauf, den Studenten zusammen mit meinen Lehrerkollegen Ramiro Serra von der TUE, Mark van Helvoort von Philips Healthcare und Ernest Bron von Analog Devices das Thema EMC in Power Electronic Systems näher zu bringen.“

Im November 2020 hat das Expertenteam die allererste 3-tägige Schulung für eine Gruppe von 10 Teilnehmern durchgeführt. Auf die Frage, ob sie den Kurs weiterempfehlen würden, antworteten die Teilnehmer mit 8,3 von 10 möglichen Punkten und gaben den Dozenten eine Note von 8,4. Die Befragten gaben auch mehrere lobende Kommentare ab. „Es war gut, den theoretischen Hintergrund zu erhalten, und die Aufbauten waren sehr nützlich“, kommentierte einer der Teilnehmer. Ein anderer wies darauf hin, dass die Schulung seine Erwartungen übertroffen hat. Andere positive Kommentare: „Ich bin begeistert von der Anzahl der Demonstrationen“ und „Die Hintergrundtheorie war sehr hilfreich. Schöne Demos! Gute Interaktion.“

Dieser Artikel stammt von Antoinette Brugman, Tech-Redakteurin von Bits&Chips.

Das High Tech Institute startet ein intensives System Architecting Masters (Sysam) Trainingsprogramm für Systemarchitekten und Systemingenieure. Ger Schoeber und Jaco Friedrich bieten angehenden Fachleuten ein robustes neunmonatiges Programm mit Training und Coaching für ihre eigenen Projekte.

 

Im Mittelpunkt des neuen Programms System Architecting Masters (Sysam) stehen die aktuellen Projekte der teilnehmenden Systemarchitekten und Systemingenieure. „Das Ziel ist es, sowohl zum Kompetenzzuwachs der Teilnehmer beizutragen als auch gleichzeitig einen Mehrwert für die laufenden Projekte der Teilnehmer zu schaffen“, sagt Ger Schoeber, der seit mehr als 20 Jahren Systemarchitekten ausbildet.
Schoeber arbeitet gerne hart an der Sache. Er arbeitet vier Tage pro Woche bei Lightyear als Gruppenleiter und Domänenexperte für Systemtechnik und verbringt einen Tag mit einer anderen Leidenschaft: seinen Systemschulungskursen am High Tech Institute. „Es ist sehr schön, Menschen durch Schulungen zu helfen, ihre Erfahrungen zu erweitern“, sagt er. „Die Befriedigung für uns als Schulungsinstitut ist noch größer, wenn wir direkte Auswirkungen in der Verbesserung tatsächlicher Industrieprojekte sehen.“
Schoeber unterrichtet Sysam zusammen mit Jaco Friedrich, der als Vollzeittrainer für Führungsfähigkeiten hauptsächlich Techniker betreut. Friedrich hat mehrere tausend Fachleute im High-Tech-Bereich geschult. „High-Tech-Unternehmen erkennen effektive Kommunikation, Feedback geben und Einflussnahme ohne Macht als wesentliche Fähigkeiten des Systemarchitekten an“, sagt er.

Ger Schoeber (links) und Jaco Friedrich (rechts).

Check out the training

 

CAFCR und NASA

Das neunmonatige Sysam-Programm besteht aus drei intensiven Trainingsblöcken von je vier Tagen, mit mehreren Monaten dazwischen für Einsätze am Arbeitsplatz, Coaching und Intervision. Gastredner geben ihre umfangreichen Erfahrungen in den Bereichen Systemarchitektur, Systemtechnik und komplexe Entwicklung weiter. Die Hälfte des Kurses besteht aus grundlegenden Themen der Systemtechnik und Systemarchitektur. Schoeber stützt sich auf zwei Quellen, das CAFCR-Framework von Gerrit Muller und das NASA Systems Engineering Handbook.
„Bei CAFCR geht es darum, sich in die Lage des Kunden und der Beteiligten zu versetzen und die Systemarchitektur aus fünf Perspektiven zu betrachten“, erklärt Schoeber. „Nur zwei davon betreffen die Technologie, also die Lösung. Bei den anderen drei geht es um die Perspektive des Kunden. Darin liegt meiner Erfahrung nach der große Wert des CAFCR-Frameworks.“
„Bei der funktionalen Sicht, dem F von CAFCR, geht es um die Spezifikation, die Anforderungen: Was erwartet der Kunde eigentlich von dem Produkt oder was erwarten die Stakeholder von dem System, was Funktionalität, Qualität und Leistung angeht? Die Anwendungssicht, das A aus dem CAFCR, erfordert, dass Sie den breiteren Kontext betrachten. In welcher Umgebung befindet sich das zukünftige Teilsystem oder System? Wie wird es integriert, eingesetzt, verwendet und so weiter? Wenn Sie ein gutes Bild davon haben, dann verstehen Sie, was nützlich ist und was nicht. So können Sie die Anforderungen besser auf den tatsächlichen Bedarf abstimmen.“

'CAFCR allows us to come up with solutions that will help customers even more. '

Beim ersten C in CAFCR geht es um die Ziele des Kunden. „Was ist sein Geschäft? Wie verdient er sein Geld? Wie sieht die Realität seines Kunden oder des Kollegen aus, der mein Subsystem integrieren wird? Wenn Sie das besser verstehen, können Sie besser erkennen, was er braucht, um sein Geschäft zu verbessern. CAFCR zwingt uns dazu, nicht nur die Technologie zu betrachten, sondern auch die Spezifikationen und das Grundprinzip der Anforderungen. So können wir Lösungen entwickeln, die unseren Kunden noch mehr helfen.“

Das CAFCR-Modell von Gerrit Muller: www.gaudisite.nl

 

Zusätzlich zu CAFCR verwendet Sysam das NASA Systems Engineering Handbook. „Ein Handbuch für Systemtechnik bietet eine Anleitung, wie man Aktivitäten in einem Produktentwicklungsprozess einrichtet, einführt, abschließt und ausführt“, erklärt Schoeber. „Entwickler verwenden häufig das V-Modell, bei dem auf der linken Seite die Systemdefinition – vom Betriebskonzept, den Anforderungen, der Architektur, dem Design bis hin zur Konstruktion – und auf der rechten Seite die Systemrealisierung – von der Konstruktion bis hin zur Integration, Verifizierung und Validierung – steht. Das kürzlich aktualisierte Systems Engineering-Handbuch der NASA verfolgt diesen Ansatz und integriert auch sehr häufig kurzzyklische Feedbackschleifen, die auch die Grundlage des agilen Denkens bilden. Die jüngste Überarbeitung hat es außerdem sehr zugänglich, lesbar und anwendbar gemacht.“

Praxis in der Praxis

Die andere Hälfte des Trainings besteht aus intensiven Übungen mit praktischen Situationen, wie z.B. die Überzeugung von Interessengruppen und die Fähigkeit, Widerstand in Zustimmung umzuwandeln. Friedrich: „Übung braucht Zeit. Wenn Ingenieure sie in einem Trainingskurs erleben, erkennen sie sofort den Wert. Der Mehrwert liegt in der Erfahrung. Was auf dem Papier einfach aussieht, ist in der Praxis gar nicht so einfach. Durch das Üben treten die Teilnehmer aus ihrer Komfortzone heraus und erleben tatsächlich, wie die Dinge anders gemacht werden können. Das gibt ihnen Selbstvertrauen und Motivation, es sofort anzuwenden. Und es stellt sich heraus, dass dieser praktische Ansatz auch erfolgreich dazu führt, dass die Teilnehmer ihre Arbeit anders machen. Nach dem Training sagen sie oft, dass sie das schon viel früher hätten tun sollen.“

'It’s about learning to deal with risks. So, leadership instead of science. '

Eine der typischen Fallstricke, mit denen Friedrich in der Ausbildung zu kämpfen hat, ist es, sich zu trauen, eine Position einzunehmen, auch wenn noch nicht alle Fakten bekannt sind. „Es geht darum zu lernen, mit Risiken umzugehen. Also: Führung statt Wissenschaft. Dazu gehört auch die Fähigkeit, ein Team zu managen. Wie nehmen Sie sich die Zeit, sich mit dem großen Ganzen zu beschäftigen? Die Fähigkeit, Aufgaben und Verantwortung auf eine inspirierende Weise zu delegieren, ist eine Voraussetzung für weiteres Wachstum. Die Beeinflussung von Interessengruppen und die Festlegung von Parametern erfordern Zeit und geistigen Freiraum. Der Architekt muss lernen, sich diesen Freiraum zu schaffen.“

Zwischen den drei Trainingsblöcken von je vier Tagen liegen mehrere Monate. In dieser Zeit coachen Schoeber und Friedrich die Teilnehmer. Es sind auch Zwischensitzungen geplant, in denen die Teilnehmer ihre Erfahrungen austauschen.
Um die Qualität zu gewährleisten, ist die Anzahl der Teilnehmer an Sysam auf maximal zwölf begrenzt. Dadurch wird auch sichergestellt, dass die Teilnehmer effektiv Erfahrungen über ihre Projekte austauschen können. Da jeder von Anfang an in seiner eigenen Praxis tätig ist, ist das Trainingsprogramm vom ersten Tag an effektiv. „Das bedeutet, dass sich die Investition bereits im ersten Jahr amortisiert“, sagt Schoeber. „Danach geht es nur noch um den Gewinn.“

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von Bits&Chips.

Seine beiden Leidenschaften ziehen sich wie zwei rote Fäden durch seine Karriere. Bei Philips, an der Technischen Universität Eindhoven und bei NTS wurde Pieter Nuij zu einer der führenden Persönlichkeiten auf dem Gebiet der experimentellen Techniken und der Validierung in der Mechatronik. An all diesen Orten hat er sich auch als Lehrer profiliert. Heute hat er sein eigenes Beratungsunternehmen, Madycon, und ist einer der Kursleiter der Ausbildung ‚Experimentelle Techniken in der Mechatronik‚ des High Tech Institute.

„Es war eine fantastische Zeit.“ Mit großer Freude und Nostalgie blickt Pieter Nuij auf seine Zeit bei der renommierten Philips CFT zurück. „Wir standen an der Spitze der Mechatronik und entwickelten Dinge, die es einfach noch nicht gab. Wir arbeiteten in einer Gruppe, die vor Energie nur so strotzte und unter der inspirierenden Leitung von Jan van Eijk, Adrian Rankers, Herman Soemers und Maarten Steinbuch stand, um nur einige zu nennen.“

Dort, in den Philips-Büros in Strijp-S in Eindhoven, kann Nuij seiner Leidenschaft weiter nachgehen, für die er während seiner Abschlussarbeit an der TU Eindhoven und während eines früheren Philips-Einsatzes in der Optical Disc Mastering-Gruppe den Grundstein gelegt hat: experimentelle Techniken. „Es ist oft sehr interessant, Spuren zu verfolgen und Fehler zu beheben“, sagt Nuij. „Die Kombination aus Messungen und der Analyse, warum das System nicht das tut, was erwartet wird. Man muss weit blicken und unvoreingenommen alle Möglichkeiten identifizieren und testen.“ Darüber hinaus schöpft Nuij viel Energie aus der Weitergabe seines Wissens. An der CFT stand er an der Wiege des Kurses ‚Experimentelle Techniken und Mechatronik‘, der von Philips‘ Ausbildungszweig CTT angeboten wird.

Diese Kombination veranlasste Steinbuch, Nuij zu bitten, mit ihm an die Technische Universität Eindhoven zu wechseln, als er 1999 zum Vollzeitprofessor ernannt wurde. „Steinbuch suchte jemanden, der die experimentellen Techniken im Labor wieder auf den neuesten Stand bringen konnte, und er dachte, dass ich der Richtige dafür wäre“, sagt Nuij, der als Assistenzprofessor unter der Bedingung eingestellt wird, dass er „in absehbarer Zeit“ seinen Doktortitel erhält. Dies gelingt Nuij schließlich 2007, „mit zwei Kindern auf dem Schoß, einem Vollzeitjob, einer verständnisvollen Frau und Maarten als Inspiration“.

Pieter Nuij: „Die Validierung des Designs, einschließlich physikalischer Messungen, wird sehr oft geopfert.“

 

Hausarbeiten

Nuij bleibt bis 2013 an der TU Eindhoven. „Ich konnte mein Interesse an Schwingungen und Vibrationsanalyse voll befriedigen und mich völlig in der Ausbildung verlieren – Erstsemestervorlesungen in Signalanalyse mit zweihundert Leuten im Raum, großartig.“

Letztendlich verlässt Nuij die Universität, weil er mit der Art und Weise, wie Bildung betrachtet wird, nicht einverstanden ist. „Um es ganz offen zu sagen, ich sehe die Universitäten als Lieferanten von zwei Produkten: hochwertiges Wissen und verdammt gute Ingenieure“, erklärt er. „Aber was Sie gesehen haben, ist, dass die Qualität der Forschungsgruppen viel mehr an der Anzahl der Veröffentlichungen als am Niveau der Absolventen gemessen wird. Außerdem wurde den Studenten immer weniger Zeit gegeben, den Stoff zu beherrschen. Während dieser Zeit war ich auch fünf Jahre lang Studienberater und habe aus nächster Nähe gesehen, dass Studenten einfach Zeit brauchen, um den Stoff zu verdauen. Man kann es nicht einfach erzwingen.“

'More and more educational activities were considered chores because they stood in the way of the acquisition of projects.'

„Außerdem gibt es an den Universitäten kein duales Karrieresystem“, so Nuij weiter. „Der einzige Weg zu einer Beförderung führt über den wissenschaftlichen Weg, vom Assistenzprofessor zum außerordentlichen Professor. Das Seltsame ist, dass der Begriff ‚Professor‘ impliziert, dass es sich um eine Lehrtätigkeit handelt, aber Sie haben gesehen, dass mehr und mehr pädagogische Aktivitäten als Hausarbeiten betrachtet wurden, weil sie der Akquisition von Projekten im Wege standen.“

 

Zurückhaltung

Die Dinge beginnen ihn so sehr zu frustrieren, dass Nuij zurück in die Industrie wechselt, zu NTS in Eindhoven. Auch dort ist die Ausbildung ein wichtiger Teil seiner Stellenbeschreibung. Und diese Ausbildung ist notwendig, sagt Nuij. „In der Industrie stehen die Entwicklungen immer unter Zeitdruck. Das bedeutet, dass die Werksabnahme im allerletzten Moment kurz gehalten, verkürzt oder sogar ganz übersprungen wird. Die Validierung des Designs, einschließlich physikalischer Messungen, wird sehr oft geopfert.“

Nuij stellt auch fest, dass selbst bei einer recht großen Partei wie NTS die experimentellen Techniken in der Mechatronik eine Spezialität sind, die nicht vierzig Stunden pro Woche benötigt wird. „Ingenieure, die sich in Teilzeit damit beschäftigen, werden irgendwann in eine andere Richtung gelockt, weil es anderswo mehr zu tun gibt. Und damit geht der Fokus völlig verloren. Die Beauftragung eines externen Beraters ist eine gute Alternative, auch wenn die Unternehmen das Gefühl haben, dass dies teurer ist. Aber das ist nicht der Fall. Je früher Sie einen Spezialisten hinzuziehen, desto besser. Glücklicherweise gibt es auch viele Unternehmen, die es mit der Validierung ernst meinen.“

„Die andere Seite der Geschichte ist, dass die Simulation im Designprozess immer wichtiger wird“, fährt Nuij fort. „Damit hoffen die Entwickler, ihr Design gleich beim ersten Mal richtig zu machen. Nach meiner Erfahrung verabscheuen sehr gute Simulationsspezialisten manchmal Validierungstests. Es kann sehr belastend sein, wenn ein solcher Test zeigt, dass etwas mit ihrer Arbeit nicht stimmt. Ich habe regelmäßig das Gefühl, dass dies die Abneigung gegen einen Test erklärt. Das ist eine Schande, denn so lernen Sie weniger über die Qualität Ihrer Modelle. Diese Rückkopplungsschleife fehlt oft.“

'I don’t believe the software will ever become so good that a specialist becomes redundant.'

Die Simulationswerkzeuge und digitalen Zwillingspakete werden jedes Jahr besser. Glaubt Nuij, dass sie jemals ausreichen werden, um die Qualität des Entwurfs zu garantieren? „Die Benutzerfreundlichkeit nimmt in der Tat zu. Aber das birgt die Gefahr, dass man in den Schlaf gewiegt wird. Ich werde nervös, wenn die Leute sagen: „Diese Software ist so leistungsstark, dass sie keine Fehler mehr macht.“ Dann verpassen Sie wirklich das wahre Bild. Sie müssen auf jeden Fall kritisch bleiben und dürfen sich nicht blind auf das Ergebnis verlassen. Wenn Sie diese Software verwenden, müssen Sie auch in der Lage sein, Teilergebnisse in einer experimentellen Umgebung zu testen. Es ist durchaus möglich, dass die Software so benutzerfreundlich wird, dass diese Tests sehr einfach durchzuführen sind. Aber Sie müssen weiter testen. Ich glaube nicht, dass die Software jemals so gut werden wird, dass ein Spezialist überflüssig wird.“

Check out the training

'In the training, we consciously work with outdated equipment.'

Preislich wettbewerbsfähig

Warum ist es so schwierig, ein mechatronisches System zu messen? „Das hat eine Reihe von Facetten. Zunächst einmal braucht man die richtige Hardware“, antwortet Nuij. „Es müssen teure Geräte gekauft werden. Sie können sich auch für billigere Geräte entscheiden, aber die werden Ihnen fragwürdige Ergebnisse liefern und das wird am Ende viel teurer. Sie müssen die Hardware verstehen und wissen, was Sie brauchen, wenn Sie sie kaufen. Das erfordert schon ein gewisses Maß an Grundwissen. Und dann müssen Sie die Geräte auch richtig benutzen. Es gibt viele Tasten, mit denen Sie sehr leicht große Fehler machen können. Die Ergebnisse kommen in 16-Bit-Farbtiefe heraus, aber das heißt noch lange nicht, dass sie auch gut sind.“

„Das Gleiche gilt für die erforderliche Software“, fährt Nuij fort. „Die Suiten für die Schwingungsanalyse sind preislich konkurrenzfähig; man spricht hier leicht von Tausenden von Euro. Viel mehr als z.B. eine Matlab-Lizenz, die auch viel breiter eingesetzt werden kann. Es ist also schwierig, die Zustimmung Ihres Chefs zu bekommen. Hier in der Region ist Mescope von der amerikanischen Vibrant Technlogies die am häufigsten verwendete Software zur Schwingungsanalyse. Aber es gibt noch mehr, zum Beispiel Lösungen von Siemens und dem dänischen Brüel & Kjaer.“

„Drittens gehört eine gehörige Portion Handwerkskunst dazu. Das ist eine exotische Kompetenz, aber eine unverzichtbare. Sie müssen in der Lage sein, handwerklich zu arbeiten. Sie brauchen ein gewisses experimentelles Geschick, um die Konstruktion auf die richtige Weise anzuregen, zum Beispiel mit einem Hammer mit eingebautem Kraftsensor. Sie müssen auch damit rechnen, dass irgendwo ein Anschluss nicht richtig funktioniert oder dass der Beschleunigungssensor nicht richtig befestigt ist. Wenn Sie nicht wissen, wo Sie suchen müssen, können Sie so etwas leicht übersehen.“

Genau diese praktische Seite ist der Grund, warum die Ausbildung ‚Experimentelle Techniken in der Mechatronik‚ des High Tech Institute, eine Fortsetzung des alten CTT-Kurses, vorübergehend ausgesetzt wurde. „Das kann man nicht online machen“, sagt Nuij, der einer der Lehrer ist. „Nach Corona werden wir weitermachen.“

Vor Corona bestand der Kurs aus vielen praktischen Stunden. „Wir arbeiten bewusst mit veralteter Ausrüstung. Und die Software läuft immer noch auf XP“, lacht Nuij. „Diese Messsysteme erlauben es den Studenten immer noch, Fehler zu machen. Wenn sie dann feststellen, dass das Ergebnis anders ist als gedacht, beginnt der Denkprozess. Sie hören überall die Pfennige fallen und als Lehrer haben Sie Ihr Ziel erreicht.“

Dieser Artikel stammt von Alexander Pil, technischer Redakteur von High-Tech Systeme.

Elektromechanische Aktuatoren, die von hocheffizienten und präzisen leistungselektronischen Schaltungen angetrieben werden, sind die Arbeitspferde der Industrie. Sie bestimmen die Leistung und Qualität vieler industrieller Prozesse. High-Tech Systems sprach mit Jeroen van Duivenbode, Spezialist für Leistungselektronik bei ASML, Stipendiat an der Technischen Universität Eindhoven und Trainer am High Tech Institute.

Er braucht ein paar Augenblicke zum Überlegen, aber dann nickt er bestätigend: „Ja, es gibt immer noch Produkte, die um die Erde kreisen und die ich entworfen habe.“ Jeroen van Duivenbode arbeitet zwar seit fast einem Vierteljahrhundert bei ASML, aber seine Wurzeln liegen in der Luft- und Raumfahrt. Dieser Hintergrund bringt ihn manchmal auf interessante und radikal andere Ideen in der Halbleiterwelt.

Jeroen van Duivenbode: ‚Das Schöne an der Leistungselektronik ist, dass sie alle Teilbereiche der Elektrotechnik umfasst.‘

Nach seinem MSc-Abschluss in Leistungselektronik an der Technischen Universität Delft ging Van Duivenbode nach Frankreich, um bei der damaligen Alcatel Espace in Toulouse zu arbeiten, die heute zu Thales Alenia gehört, wo er Leistungswandler für Satelliteninstrumente entwickelte. „Dabei handelte es sich in der Regel um Funksender und -empfänger, die von Bordbatterien und Solarzellen mit Strom versorgt werden mussten“, sagt er. „Die andere Seite meiner Arbeit waren Simulationsmodelle. Ich habe eine Menge Berechnungen zu Energiesystemen für Satelliten und Raumstationen durchgeführt. Heutzutage gibt es dafür alle möglichen Werkzeuge, aber damals – in den späten Achtzigern und frühen Neunzigern – hatten wir nichts.“

Nach fünf Jahren in Frankreich wechselte Van Duivenbode nach Norwegen, zu Norspace, ebenfalls ein auf Raumfahrtelektronik spezialisiertes Unternehmen. „Wir bauten unter anderem Wellenfilter für die Oberflächenakustik, kleine Komponenten auf Quarzbasis, die wir zur Entwicklung hochwertiger Bandpassfilter verwendeten. Wir haben auch Systeme für die Ariane 5 Rakete geliefert. Sie können sich vorstellen, dass wir ein wenig gestresst waren, als ihr erster Testflug fehlschlug. Glücklicherweise war es nicht unsere Schuld; die Fehlfunktion wurde durch einen Fehler in der Software verursacht. Danach wurden unsere Einheiten in den Sümpfen von Französisch-Guayana wiedergefunden. Sie waren noch funktionsfähig, obwohl sie aus vier Kilometern Höhe auf die Erde gefallen waren.“

Kosmische Strahlung

Zurück in den Niederlanden beginnt Van Duivenbode für ASML zu arbeiten. In fast 25 Jahren hat er sich zu einem der wichtigsten Ansprechpartner für Leistungselektronik entwickelt. Ein Fachgebiet, das für die Chipfertigungssysteme aus Veldhoven sicherlich nicht unwichtig ist. Alle Bewegungen von z.B. der Wafer- und Fadenkreuzbühne benötigen eine hohe Leistung, während die Spielräume extrem klein sind. „Im gesamten Fehlerbudget des Designs sprechen wir von mehreren Prozent. Das bedeutet, dass wir eine Toleranz von etwa einem Zehntel eines Atoms haben müssen“, erklärt Van Duivenbode.

Wie bei ASML im Allgemeinen wird auch die Arbeit von Van Duivenbode durch das Mooresche Gesetz diktiert. Außerdem ist die Produktivität ein wichtiges Merkmal der Maschinen von ASML. Eine kürzere Scanzeit bedeutet schnellere Bewegungen und mehr Leistung.“ Und viel mehr Leistung, denn es besteht ein kubisches Verhältnis zwischen Produktivität und Spitzenleistung: Eine Verdoppelung der Produktivität erfordert eine Verachtfachung der Leistung. „Wir haben schon mehrere dieser Verdoppelungen erlebt. Früher hätte die Elektronik für alle Bewegungen in einen Schuhkarton gepasst, heute braucht jede Maschine mehrere Kubikmeter Leistungselektronik.“

Da die Fehlerspanne so klein ist, kann selbst die kleinste Störung das System ernsthaft beeinträchtigen. „Einmal haben wir an einer neuen Generation von Verstärkern gearbeitet. Wir hatten die Spannung erhöht und die Mosfets bis an ihre Grenzen gebracht“, erinnert sich Van Duivenbode. „Innerhalb von zwei Wochen hatten viele dieser Mosfets Fehlfunktionen. Wir versuchten, die Ursache zu finden und schlossen jede mögliche Erklärung aus, von EMV bis hin zu Systemfehlern, aber alles schien in Ordnung zu sein. Es blieb nur eine Möglichkeit: kosmische Strahlung.“

Früher hätte die Leistungselektronik für alle Bewegungen in einer ASML-Maschine in einen Schuhkarton gepasst, heute braucht jede Maschine mehrere Kubikmeter Leistungselektronik. Kredit: ASML

In seiner früheren Karriere war die kosmische Strahlung sein tägliches Geschäft, aber in der Halbleiterindustrie brauchte Van Duivenbode einige Mühe, um seine Ingenieurskollegen zu überzeugen. „Niemand wollte es glauben. Also bauten wir einen Testaufbau mit Tausenden von Transistoren. Im Labor fielen jede Woche mehrere aus. Dann verlegten wir den Aufbau in die städtische Höhle in Valkenburg, die sich unter einer dicken Schicht aus Erde und Kalkstein befindet. Nach acht Wochen war noch kein einziger Transistor ausgefallen. Seit diesem Experiment ist in der Branche bekannt, dass man die kosmische Strahlung nicht nur bei großen Chips, sondern auch bei kleinen Mosfets berücksichtigen muss.“

Breiter Beruf

Neben seiner Arbeit bei ASML ist Van Duivenbode Forschungsstipendiat an der Technischen Universität Eindhoven, natürlich im Bereich Leistungselektronik. Seit einigen Jahren ist er auch Dozent am High Tech Institute für den Kurs ‚Actuation and power electronics‚. „Diese Ausbildung ist für jeden interessant, der sich mit hochpräzisen Systemen beschäftigt. Und damit sind nicht unbedingt Nanometer gemeint wie bei ASML“, versichert Van Duivenbode. „Im Mikrometerbereich ist es genauso wichtig zu sehen, wie Sie die Leistungselektronik in Ihr mechatronisches System einbauen können. Und selbst wenn Sie über etwas ‚Grobes‘ wie das Antriebssystem eines Autos sprechen, müssen Sie sicherstellen, dass es stabil und zuverlässig ist.“

„Die Leistungselektronik ist ein Beruf, der nicht für sich allein steht“, fährt er fort. „Sie steht immer im Dienst des Systems. Niemand wird nur nach einem Schaltkreis fragen, der ein paar Kilowatt erzeugt. Das ist uninteressant. “

„Das Schöne an der Leistungselektronik ist, dass sie alle Teilbereiche der Elektrotechnik umfasst. Neben allen Standardbausteinen für die Leistungselektronik, wie Mosfets, Dioden und Spulen, müssen Sie sich auch mit analoger Elektronik auskennen, um genaue Messungen durchführen zu können, sowie mit digitalen Technologien und VHDL. Elektromagnetische Verträglichkeit ist ein Thema, denn hohe Spannungen und hohe Ströme spielen Fehlern in die Hände. Sie müssen sich also mit EMV auskennen, genau wie mit thermischem Design, da sich Komponenten schnell erhitzen können. Sie müssen mit dieser Hitze fertig werden. Ein Kühlkörper könnte die Lösung sein, aber dann müssen Sie sich der kapazitiven Kopplung bewusst sein.“

Und dann ist da noch die Zuverlässigkeit. „Bei diesen hohen Leistungen wird die Elektronik an ihre Grenzen gebracht. Die Leiterplatten müssen hart arbeiten, so dass sie anfälliger für Ausfälle sind“, sagt Van Duivenbode. „Das bedeutet, dass man sich mit Zuverlässigkeit und Lebenszyklustests auskennen muss.“

Super Leitfähigkeit

Van Duivenbode ist einer von mehreren Lehrern des Kurses. Neben der Leistungselektronik und dem Rechnen mit magnetischen Kreisen – die Teile, die Van Duivenbode übernommen hat – geht es in dem Kurs auch um Aktoren. Lineare und planare Lorentz-Aktuatoren, Piezo-Aktuatoren, sie alle werden behandelt. Relativ neu und vielversprechend sind die sogenannten Reluktanzmotoren.

„Das ist eine Variante, bei der Sie einen Strom durch eine Spule fließen lassen und diesen nutzen, um ein Stück Magnetstahl oder Weicheisen anzuziehen“, erklärt Van Duivenbode. „Reluktanzmotoren können hohe Leistungsdichten liefern. Der Nachteil ist, dass diese Kräfte in hohem Maße nichtlinear sind und dass der Motor nur Zugkräfte erzeugen kann. An der Universität, in der Gruppe von Elena Lomonova, wird viel geforscht, um eine Lösung für diese Nichtlinearität zu finden. Wenn diese gefunden ist, macht die hohe Leistungsdichte die Reluktanzmotoren für viele Anwendungen sehr attraktiv.“

Eine weitere neue Technologie ist die Superleitfähigkeit. „Sie wird bereits zum Beispiel in MRT-Scannern eingesetzt. Es gab auch einen erfolgreichen niederländischen Test zur Verwendung von Superleitfähigkeit in unterirdischen Stromleitungen. Das Prinzip wurde bewiesen, aber das Projekt wurde nicht weiterverfolgt“, erklärt Van Duivenbode. „Die erste Windmühle mit supraleitenden Magneten wurde ebenfalls gebaut. Diese Magnete befanden sich im Rotor, so dass sich das gesamte supraleitende System mit den Flügeln drehen musste. Eine ziemliche Leistung, wenn Sie mich fragen. Der nächste Schritt besteht darin, es wirtschaftlich zu machen; jemand muss diesen Schritt tun und darin investieren. Die Industrie ist noch nicht so weit, daher gilt die Supraleitung in der Ausbildung noch als exotisch.

Dieser Artikel stammt von Alexander Pil, technischer Redakteur von High-Tech Systeme.

Die Verbindung zwischen Industrie und Hochschulen ist entscheidend für die Vorbereitung der Arbeitskräfte von morgen. Die Industrie sucht an den TUs nach fortgeschrittenen Ingenieuren, um Führungspositionen wie die eines Systemarchitekten zu besetzen. Das PDEng-Programm der TU antwortet auf diesen Ruf, indem es die persönliche und berufliche Entwicklung der Studenten durch Schulungen fördert.

Das Professional Doctorate in Engineering (PDEng) ist nicht Ihr typischer Hochschulabschluss. In der Tat ist das Programm relativ einzigartig in den Niederlanden, denn nur wenige andere Länder bieten ähnliche Programme an. Die niederländischen Wurzeln des PDEng reichen mehrere Jahrzehnte zurück, aber 2003 erhielt der professionelle Doktortitel seinen neuen Namen und wurde von der Bologna-Erklärung als Programm des dritten Zyklus (Doktoratsstufe) anerkannt. Im Gegensatz zu einem Doktortitel erfordert der Lehrplan keine jahrelange Forschung und keine langwierige Dissertation, sondern es handelt sich um ein zweijähriges Post-Master-Programm, das darauf abzielt, das Systemwissen zu erweitern und die nächste Generation von Entwicklern zu befähigen, wertvolle praktische Erfahrungen zu sammeln und aus erster Hand Zugang zur Industrie zu erhalten, um Systemarchitekt zu werden.

Jedes Jahr nimmt die Technische Universität Eindhoven (TUE) 100-120 PDEng-Praktikanten in ihren verschiedenen Programmen auf, die die Bereiche Chemie, Maschinenbau, Elektrotechnik, Software und Medizintechnik umfassen. „Wir haben ein sehr strenges Auswahlverfahren, um sicherzustellen, dass unsere Programme ein unglaublich hohes Niveau halten“, beschreibt Peter Heuberger, der kürzlich in den Ruhestand getretene Programmmanager für die PDEng-Gruppen Mechatronik und Automotive an der TUE. „Nur um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Jede meiner Gruppen hat nur acht Mitarbeiter. Diese 16 Plätze wurden aus einem Pool von mehr als 200 Bewerbungen besetzt, die wir aus der ganzen Welt erhalten haben.“

Peter Heuberger: „Wir suchen fortgeschrittene Ingenieure, die ein paar Schritte zurücktreten und eine Helikopterperspektive auf das Problem einnehmen.“

Hubschrauber

Da die Technologie exponentiell komplexer wird, hängt der Erfolg in der technischen Entwicklung stark von Teams aus multidisziplinären Ingenieuren ab, die zusammenarbeiten und jeder seinen Teil dazu beiträgt. Eine Herausforderung besteht jedoch darin, dass Ingenieure von Natur aus dazu neigen, sich auf einen Bereich zu konzentrieren und nicht das Gesamtbild des Systems zu sehen. „Wenn man einem Ingenieur ein Problem stellt, fängt er normalerweise sofort an, Schrauben zu lösen und Dinge zu zerlegen, um seine eigene Lösung für das Problem zu finden“, erklärt Heuberger. „Aber wir wollen fortgeschrittene Ingenieure ausbilden, die ein paar Schritte zurücktreten und das Problem aus der Helikopterperspektive betrachten. Nicht nur, wo das Problem liegt, sondern für wen ist es ein Problem? Wird es auch nächstes Jahr noch ein Problem sein? Wie hoch sind die damit verbundenen Kosten? Wie lange ist die Lebensdauer des Produkts?“

Wie also ermutigen die Mechatronik- und Automobil-PDEng-Programme der TUE ihre Ingenieure dazu, diesen ganzheitlichen Systemansatz zu übernehmen? Sie wenden sich an die Ausbildung – besonders im ersten Jahr. „Vor ein paar Jahren, als wir an der Universität Kurse für Systemtechnik organisierten, wurde uns klar, dass wir nicht über die Ressourcen oder die Arbeitskraft verfügten, um alle notwendigen Schulungen im eigenen Haus durchzuführen“, erklärt Heuberger. „Daraufhin wandten wir uns an das High Tech Institute und baten um Hilfe bei der Durchführung von Schulungskursen. Das Institut befindet sich nicht nur in der Nähe, sondern verfügt auch über einen umfangreichen Pool an industrieerfahrenen Ingenieuren und Experten, was unserem Ziel, unsere Auszubildenden so nah wie möglich an die Industrie heranzuführen, sehr entgegenkam.“

„Nach der ersten Einführungswoche lassen wir die Teilnehmer direkt in den Kurs Systemdenken einsteigen. Hier erhalten viele der Auszubildenden ihre erste Einführung in die Industrie, die Anforderungen der Industrie und die spezifischen Methoden, mit denen man an die Systemtechnik herangeht“, sagt Heuberger. Nach der Grundausbildung verbringen die Auszubildenden die nächsten Perioden damit, die erlernten Methoden und Fähigkeiten zu verfeinern und ihren eigenen System-Engineering-Ansatz zu trainieren. „Dazu nehmen wir mehrere Beispielprojekte in Angriff, die uns von Industriepartnern wie ASML, DAF, Philips und Punch Powertrain zur Verfügung gestellt werden und bei denen die Auszubildenden verschiedene Rollen übernehmen, vom Projektmanager und Teamleiter bis hin zum Kommunikations-, Konfigurations- oder Testmanager. Diese Übungen fügen dem Training mehr praktische Werkzeuge hinzu und geben den Teilnehmern ein besseres Verständnis für das große Ganze, da sie eine neue Perspektive auf das Wesentliche ihrer Arbeit gewinnen.“

Awareness

Während die Auszubildenden der Fachrichtungen Mechatronik und Automobiltechnik in das letzte Modul des ersten Ausbildungsjahres wechseln, wendet sich die TUE erneut an das High Tech Institute, um eine Schulung zum Thema Mechatronik-Systemdesign abzuhalten. „Dies ist ein echter Höhepunkt für unsere Auszubildenden, die sich dem Ende ihres ersten Jahres nähern, insbesondere für diejenigen, die sich für Mechatronik interessieren. In dieser Phase lernen sie von Mechatronik-Akademie-Experten wie Adrian Rankers etwas über fortgeschrittene Steuerungstheorie“, schildert Heuberger. „Etwas, das ihnen wirklich im Gedächtnis zu bleiben scheint, ist, dass man nicht immer eine sehr ausgefeilte Steuerungstheorie braucht. Sie müssen die Aufgabe erledigen. Wenn man ein Problem aus einer intelligenten Perspektive betrachtet, ist manchmal die einfachste Kontrolltheorie die beste Lösung. Aber natürlich kann es auch an der Steuerungsanwendung oder an der Hardware liegen, zum Beispiel. Das ist der Punkt, an dem alles zu passen scheint und sie wirklich das große Ganze sehen.“

„Genau das ist einer der wichtigsten Aspekte der Ausbildung, das gewonnene Bewusstsein und die Perspektive“, fügt Riske Meijer, die neue Leiterin der Programme Mechatronik und Automotive PDEng hinzu. „Das Bewusstsein, dass man, wenn man eine Arbeit beginnt, über eine Aufgabe und eine Lösung hinaus auf die Arbeit als Ganzes schauen muss. Das ist es, was man braucht, um ein erfolgreicher Systemarchitekt in der Industrie zu sein.“

Riske Meijer: „Man muss über eine Aufgabe und eine Lösung hinausblicken und die Aufgabe als Ganzes betrachten. Das ist es, was man braucht, um ein erfolgreicher Systemarchitekt in der Industrie zu sein.“

Beantworten Sie den Anruf

Heuberger und Meijer werden die Ersten sein, die Ihnen sagen, dass das TUE PDEng-Programm keine Systemarchitekten, sondern eher Systemingenieure hervorbringt. Schließlich ist es ein großer Unterschied, ob man an der Universität eine Gruppe von 3-5 Personen leitet oder eine Gruppe von 30-50 Personen am Arbeitsplatz. Um das Niveau eines echten Systemarchitekten zu erreichen, braucht man etwa 20 Jahre Erfahrung und Entwicklung in der Branche. Durch die Bereitstellung verbesserter Werkzeuge und echter, praktischer Industrieerfahrung verschafft TUE jungen Ingenieuren jedoch einen Vorsprung. Natürlich werden nicht alle Auszubildenden zu Systemarchitekten, denn nicht jeder ist gleich gebaut. Viele von ihnen finden ihren Platz in anderen Führungspositionen wie Projektmanagement, Personalmanagement oder technische Leitung.

„Die Industriepartner haben uns gebeten, ihnen bei der Ausbildung fortgeschrittener Ingenieure nach dem Master-Abschluss zu helfen. Sie suchen nach jungen Talenten, die in der Lage sind, als Teamleiter und in anderen Führungspositionen aufzutreten, um die Industrie voranzubringen“, schlägt Heuberger vor. „Das ist es, was wir tun wollen. Wir folgen dem Ruf der Industrie und bereiten zukünftige Ingenieure, Teamleiter, Projektmanager und Systemarchitekten darauf vor, diesen Bedarf zu decken.

Dieser Artikel wurde von Collin Arocho geschrieben, Tech-Redakteur von Bits&Chips.

Als er studierte, hatte er nicht das geringste Interesse an Chips, geschweige denn an deren Test. Heute ist Erik Jan Marinissen eine Koryphäe auf dem Gebiet der IC-Tests und des Design-for-Test und unterrichtet sogar zu diesem Thema.

Als Erik Jan Marinissen im vergangenen Jahr erfuhr, dass er mit seinen Vorträgen zum Thema Design for Test auf der IEEE International Test Conference (ITC) zum meistzitierten ITC-Autor der letzten 25 Jahre geworden war, konnte er es kaum glauben. „Ich hatte eine Plenarsitzung beim Mittagessen übersprungen, um eine Präsentation vorzubereiten, die ich später am Tag halten wollte, als Passanten anfingen, mir zu gratulieren. Wofür, fragte ich sie. Sie erklärten mir, dass gerade bekannt gegeben worden war, dass ich der meistzitierte ITC-Autor der letzten 25 Jahre bin. Nun, dachte ich, das kann doch nicht stimmen. Natürlich hatte ich im Laufe der Jahre ein paar erfolgreiche Arbeiten vorgelegt, aber die Halbgötter der Testdisziplin – die Leute, zu denen ich aufschaue – waren mir sicher meilenweit voraus“, erzählt Marinissen.

Zurück zu Hause, machte sich Marinissen an die Arbeit. Er schrieb eine Software, die die Konferenzdaten durchforstete, um eine „Hitparade“ von Autoren und Artikeln zu erstellen. Das Ergebnis war eindeutig: Er war nicht nur der meistzitierte Autor, sondern sein Vorsprung vor seinen Vorbildern war auch noch recht groß. Dass die ITC das wichtigste wissenschaftliche Forum in seinem Fachgebiet ist, stand außer Frage: Marinissen ist eine Autorität in den Disziplinen Test und Design-for-Test (DfT) (siehe Einschub „Was ist Design-for-Test?“).

Kredit: Imec

Als er sich sicher war, dass es sich nicht um einen Fehler handelte, war Marinissen „extrem stolz. Ich habe im Laufe der Jahre einige Preise für die beste Zeitung gewonnen, aber sie spiegeln in der Regel die Mode des Augenblicks wider. Was in einem Jahr populär ist, ist es im nächsten Jahr vielleicht nicht mehr. Meine Analyse bestätigt das sogar: Nicht alle ausgezeichneten Arbeiten haben eine hohe Zitationsrate. Dass ich der meistzitierte Autor bin, zeigt, dass meine Arbeit den Test der Zeit überstanden hat; es ist wie eine Auszeichnung für mein Lebenswerk.“

Was ist Design-for-Test?
Ein moderner Chip besteht aus Millionen oder sogar Milliarden von Komponenten, und schon eine einzige Fehlfunktion kann den gesamten Chip ruinieren. Aus diesem Grund muss jede Komponente getestet werden, bevor der Chip verkauft werden kann. Sie wird ein- und ausgeschaltet, und es muss überprüft werden, ob sie ihren Zustand geändert hat.
Das Schwierige daran ist, dass Sie nicht jeden Transistor mit dem Multimeter messen können, wie Sie es z.B. bei einer Leiterplatte tun würden. Tatsächlich können Sie sie nur über die E/A erreichen, und ein Chip hat viel weniger E/A-Pins als interne Komponenten. Die größte Herausforderung beim Testen besteht in der Tat darin, mit dieser begrenzten Anzahl von Pins einen Weg zu jeder Komponente zu finden.
Diese Aufgabe ist unmöglich, ohne den Chip mit Funktionen auszustatten, die das Testen erleichtern. Normalerweise sind 5-10 Prozent der Siliziumfläche eines Chips nur dafür da, das Testen zu ermöglichen: Hinzufügen von Shift-Register-Zugriff auf alle funktionalen Flip-Flops, Dekomprimierung von Teststimuli und Komprimierung von Testantworten, On-Chip-Generierung von Teststimuli und entsprechenden erwarteten Testantworten für eingebettete Speicher. Design-for-test (DfT) bezieht sich in seiner engen Definition auf die On-Chip-Designmerkmale, die in das IC-Design integriert sind, um den Testzugriff zu erleichtern.
Umgangssprachlich wird der Begriff DfT jedoch auch verwendet, um alle Testentwicklungsaktivitäten zu bezeichnen. Dazu gehört die Erstellung der Teststimulusvektoren, die in aufeinanderfolgenden Taktzyklen auf die Eingangspins des Chips angewendet werden, und der erwarteten Testantwortvektoren, mit denen die Testausrüstung die tatsächlichen Testantworten vergleicht, die an den Ausgangspins des Chips ankommen. Die Chip-Hersteller lassen diese Programme auf automatischen Testgeräten in oder in der Nähe ihrer Fabriken laufen.

Abwechslungsreich und interessant

Die Überprüfung der Berechnungen, die ihm eine prestigeträchtige Auszeichnung eingebracht haben, könnte man als Instinkt für jemanden bezeichnen, der sein Leben der Überprüfung von Dingen gewidmet hat, aber Marinissen und das Testen waren nicht gerade eine Liebe auf den ersten Blick. „Als Informatikstudent an der Technischen Universität Eindhoven hatte ich keine große Affinität zu Chips oder Elektrotechnik. Wir CS-Studenten haben eigentlich immer auf Elektroingenieure herabgesehen. Elektroingenieure sind nur dazu da, Fahrradlampen zu reparieren, scherzten wir immer. Ich bin mir aber sicher, dass sie ähnlich über uns dachten“, lacht Marinissen.

Das Testen schien Marinissen noch weniger attraktiv zu sein, aus Gründen, die seiner Meinung nach auch heute noch zutreffen. „Wenn Sie nicht viel über das Feld wissen, könnte es den Anschein haben, dass Tester diejenigen sind, die den Dreck anderer Leute wegräumen. Das ist einfach nicht sehr sexy. Beim IC-Design oder der Entwicklung von Prozesstechnologien ist es viel einfacher, die kreativen und innovativen Aspekte zu verstehen. Selbst heute treffe ich nur sehr selten Studenten, die von dem Moment an, in dem sie einen Fuß auf die Universität setzen, den Ehrgeiz haben, eine Karriere im Testen zu machen.“

Es bedurfte einer besonderen Wendung der Ereignisse, damit Marinissen bei den Tests landete. „Ich wollte meine Abschlussarbeit bei Professor Martin Rem machen, weil ich ihn im Allgemeinen mochte und weil er in Teilzeit im Philips Natuurkundig Laboratorium arbeitete, was es ihm ermöglichte, dort Abschlussarbeiten zu arrangieren. Wie die meisten Wissenschaftler in jenen Tagen wollte ich in dem berühmten Forschungslabor von Philips arbeiten. Aber zu meiner Enttäuschung hatte Professor Rem nur ein Projekt im Bereich Testen zur Verfügung. Ich sagte widerwillig zu, aber nur, weil ich mit dem Professor im Natlab arbeiten wollte.“

„Ich habe bald gemerkt, wie falsch ich mit dem Testen lag. Es ist tatsächlich ein vielfältiges und interessantes Gebiet! Sie müssen über Designaspekte Bescheid wissen, um DfT-Hardware implementieren zu können, über die Herstellung, um zu wissen, welche Art von Defekten Sie antreffen werden, und über Algorithmen, um effektive Testmuster zu erzeugen. Es ist wirklich komisch. Anfangs konnte ich mich für das Testen gar nicht weniger begeistern, aber inzwischen ist es mir auf die Stirn tätowiert.“

Stanzformen stapeln

Nachdem er 1990 sein Praktikum im Natlab beendet hatte, zog Marinissen kurz in Erwägung, bei Shell Research zu arbeiten, entschied aber, dass es sinnvoller sei, für ein Unternehmen zu arbeiten, dessen Kerngeschäft die Elektronik ist. Er bewarb sich beim Natlab, wurde eingestellt, absolvierte aber zunächst einen zweijährigen post-akademischen Designkurs. Nachdem er diesen abgeschlossen hatte, begann Marinissens Karriere 1992 ernsthaft.

„Bei Philips habe ich mich vor allem mit dem Testen von Systems-on-Chip mit eingebetteten Kernen beschäftigt. Ein SoC kombiniert mehrere Kerne, wie z.B. Arm- und DSP-Mikroprozessorkerne, und das erhöht die Testkomplexität. Ich war an der Entwicklung des DfT für diesen Bereich beteiligt, der nun in den IEEE 1500 Standard für den Test eingebetteter Kerne aufgenommen wurde. Als der Standard 2005 verabschiedet wurde, sagten viele, es sei zu spät. Sie dachten, dass die Unternehmen bereits in ihren Gewohnheiten gefangen wären. Das war aber nicht der Fall. Langsam aber sicher ist IEEE 1500 zum Standard der Branche geworden.“

Marinissen ist zuversichtlich, dass dies auch bei einem anderen Standard der Fall sein wird, den er mitentwickelt hat. Daran hat er gearbeitet, nachdem er 2008 von Philips, dessen Halbleitersparte inzwischen als NXP ausgegliedert worden war, zu Imec in Leuven gewechselt war. Die Initiative für den IEEE 1838-Standard für die Testzugriffsarchitektur für dreidimensional gestapelte integrierte Schaltkreise hat er selbst ergriffen. Er führte jahrelang den Vorsitz der Arbeitsgruppe, die den Standard entwickelte, bis er seine maximale Amtszeit erreichte und jemand anderes das Ruder übernahm. Der Standard wurde letztes Jahr verabschiedet.

„Als ich bei Imec anfing, war das Stapeln von Chips ein heißes Thema. Vom Konzept her sind 3D-Chips den SoCs nicht unähnlich: mehrere Komponenten werden kombiniert und müssen zusammenarbeiten. Im Jahr 2010 hatte ich mir überlegt, wie der Standard aussehen sollte, ich hatte ein Papier darüber veröffentlicht und dachte: Lass uns diesen Standard schnell zusammenstellen. Diese Dinge dauern immer viel länger, als man will“, seufzt Marinissen.

Seine harte Arbeit hat sich jedoch ausgezahlt. Noch bevor der Standard endgültig verabschiedet wurde, erhielt der wissenschaftliche Direktor von Imec den IEEE Standards Association Emerging Technology Award 2017 „für seine Leidenschaft und Initiative bei der Schaffung eines 3D-Teststandards.“

Kredit: Imec

Durch die Folien blättern

Wie viele Forscher unterrichtet auch Marinissen gerne. Er nahm eine Stelle als Gastwissenschaftler an der TUE an, um Studenten zu betreuen, die sich – anders als er selbst in ihrem Alter – für DfT interessieren. Frühzeitig engagierte er sich auch für den Test- und DfT-Kurs im internen Schulungszentrum von Philips, dem Centre for Technical Training (CTT). „Ursprünglich wurde der Kurs größtenteils von Ben Bennetts, einem externen Lehrer, unterrichtet, aber ich übernahm ihn, als er 2006 in den Ruhestand ging. Ich erinnere mich, dass ich einen Kurs unterrichtet habe, als ich noch bei NXP war, aber danach jahrelang keinen einzigen mehr – obwohl Imec mir das erlaubte. Es gab einfach keine Nachfrage danach.“

„Dann, im Jahr 2015, wurde ich plötzlich gebeten, ihn zweimal in einem Jahr zu unterrichten. Seitdem gibt es etwa einmal im Jahr einen Kurs.“ Zu diesem Zeitpunkt war die Schulung „Test und Design-for-Test für digitale integrierte Schaltungen“ Teil des Angebots des unabhängigen High Tech Institute geworden, auch wenn es nicht überrascht, dass viele der Kursteilnehmer bei Unternehmen arbeiten, die aus Philips Semiconductors hervorgegangen sind. „Viele Teilnehmer haben einen Hintergrund im analogen Design oder Test und müssen sich zunehmend mit digitalen Komponenten beschäftigen. Ich nehme an, das ist verständlich, wenn man das umfangreiche Mixed-Signal-Fachwissen in der Brainport-Region bedenkt.“

„Ich bin zwar der Lehrer, aber es ist toll, in einem Raum mit so viel geballter Halbleitererfahrung zu sein. Ständig tauchen interessante und intelligente Fragen auf – oft solche, über die ich ein wenig schlafen muss, bevor ich eine gute Antwort habe. Es ist eine ziemliche Herausforderung, aber es macht mir sehr viel Spaß. Und ich kann mir vorstellen, dass die Studenten das auch tun. Ich bin mir sicher, dass sie herausfordernde Interaktionen dem Durchblättern meiner Powerpoint-Folien vorziehen.“

Der junge Erik Jan Marinissen hätte es nie geglaubt, als er zähneknirschend eine Aufgabe im Rahmen seines Studiums annahm und sein fundiertes DfT-Fachwissen in der Klasse vermittelte.

HF-Energiesysteme haben sich seit den frühen Tagen der röhrenbasierten Magnetrons stark verändert. Laut Klaus Werner, Trainer am High Tech Institute, ist die grobe Leistung der Röhre zwar nur schwer zu übertreffen, aber die neue Generation der integrierten Festkörper-HF-Schaltungen bietet eine noch nie dagewesene Kontrolle, Effizienz und Reproduzierbarkeit.

Klaus Werner hatte keinen gewöhnlichen Start auf dem Gebiet der HF-Energielösungen. Nach seinem Physikstudium an der Universität Aachen kam er an die Technische Universität Delft, um CVD-Anlagen für die Halbleitertechnologie weiterzuentwickeln. „Damals war ich nur für sechs Monate dort vorgesehen“, erinnert sich Werner. Aber acht Jahre und einen Doktortitel über das Wachstum von Silizium-Germanium in CVD-Anlagen später, fand sich Werner immer noch in Delft wieder. „Es war definitiv Zeit für eine neue Herausforderung“, erinnert er sich. 1995 wechselte Werner für 10 Jahre in die MOS-3-Fabrik in Nijmegen, bevor er nach Eindhoven in das Philips-Team ging, das für Laser-Wegsensoren zuständig war, die noch heute in Computermäusen verwendet werden.

Das passte nicht ganz zu Werner, und das tägliche Pendeln von mehr als 3 Stunden zur Arbeit war einfach nicht zu schaffen. Also ging er zurück nach Nijmegen und wurde Teil der RF Power Group bei NXP. „Die Gruppe befasste sich hauptsächlich mit der Entwicklung von Halbleitertechnologien und -geräten für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen im HF-Bereich. Vor allem in den Bereichen Basisstationen für das zellulare Netzwerk, Telefon, Radarsysteme und zu einem großen Teil für die Radio-TV-Übertragung“, beschreibt Werner. Aber während seiner Zeit bei NXP sah er, dass man die elektromagnetischen Wellen nicht für die Kommunikation und die Datenübertragung einsetzte, sondern ihre schiere Energie nutzte, um Plasmen für Laser, Leuchten und sogar medizinische Anwendungen zu betreiben, zum Beispiel bei der Unterkühlung.

Weiße Ware

Plötzlich begannen sich die Aktivitäten im Bereich der Festkörper-HF-Energie zu verstärken, insbesondere durch Unternehmen der Weißen Ware, die ihren Namen vom Standard der weiß beschichteten Außenflächen von Haushaltsgeräten haben. „Whirlpool und andere Unternehmen sahen die Möglichkeit, die Art und Weise, wie Mikrowellenherde Lebensmittel erhitzen, zu verbessern“, erklärt Werner. „Daraufhin gründeten wir die RF Energy Alliance, ein Industriekonsortium, das sich zum Ziel gesetzt hat, Standards festzulegen, Roadmaps zu erstellen und neue Generationen der Technologie zu entwickeln, um einen Konsens zu schaffen und die Kosten zu senken.“ Aber nach ein paar Jahren zogen sich die Weißwarenhersteller zurück, da es für sie einfach zu lange dauerte, die Kosten zu senken, um ein konkurrenzfähiges Angebot gegenüber den Magnetron-betriebenen Öfen zu haben.

„NXP wollte sich als Halbleiterunternehmen auf Komponenten und die Technologie hinter den Komponenten konzentrieren. Gleichzeitig wollte ich das Wissen und das Interesse an der Technologie und ihren Anwendungen weiter verbreiten, und schließlich beschlossen wir, uns zu trennen“, sagt Werner. „Damals beschloss ich, in die Lücke zu springen, die ich auf dem Gebiet der HF-Energie sah, und gründete Pink RF – wobei ich den Namen ‚Pink‘ als Anspielung auf die Brustkrebshilfeorganisation Pink Ribbon übernahm – mit dem allgemeinen Wunsch, die Technologie für einen breiten Einsatz in Bereichen zu entwickeln, die den Menschen wirklich helfen könnten, zum Beispiel in der Medizin.“

Wissen teilen

Trotz des Scheiterns der RF Energy Alliance glaubte Werner fest an das Versprechen der Technologie und wusste, dass die Bemühungen des gescheiterten Konsortiums einen echten Wert hatten. „Eine der größten Hürden bei der Verbreitung dieser Technologie ist die Weitergabe des Wissens darüber“, erklärt Werner. „Ich habe Artikel geschrieben, Workshops und Schulungen vorbereitet, alles, um das Wissen zu erweitern. Ich stellte fest, dass viele Menschen einfach keine solide Vorstellung davon hatten, wie man mit dieser ungewöhnlichen Wärmequelle umgehen sollte.“ Als Werner nicht aufgeben wollte, stieß er auf das International Microwave Power Institute (IMPI), das viele der Aufgaben übernahm, nach denen er in der alten RF Energy Alliance gesucht hatte. Heute ist er Vorsitzender der IMPI-Sektion für HF-Energie und verantwortlich für die Verbreitung von Informationen über diese einzigartige Technologie und die Schaffung von Schulungsmöglichkeiten, um sein Wissen weiterzugeben.

„Das ist einer der Gründe, warum ich dem High Tech Institute beitreten wollte. Es ist eine echte Institution, die mehr als nur Workshops anbietet. Es ermöglicht uns, technische Leute besser zu erreichen und mit einem bestimmten Publikum in Kontakt zu treten und auf dessen spezifische Bedürfnisse einzugehen“, sagt Werner begeistert. „Einer der besten Aspekte ist, dass viele Teilnehmer bereits ein gutes Verständnis für die Technologie haben. Alles, was sie bereits in der Schule über das Verhalten von Wellen, Beugung und Brechung gelernt haben, ist immer noch absolut zutreffend. Allein dieser Gedanke hat große Auswirkungen, und zwar in grundlegender Hinsicht. Es hilft, die Gedanken zu lockern und eine Perspektive für diese Technologie zu schaffen.“

Neue Ausbildung

Werners erste Ausgabe der neuen Schulung „Solid-state generated RF and applications“ hat genau das zum Ziel. Der dreitägige Kurs gibt den Teilnehmern einen Einblick in die Entwicklung der Technologie, von der früheren Generation der röhrenbasierten Hochfrequenz-Magnetrons bis hin zur modernen, auf Festkörperelektronik basierenden Energiequelle. „In Bezug auf die Rohleistung sind die Magnetrons kaum zu schlagen. Das Problem liegt jedoch in der mangelnden Optimierung und Kontrolle der Röhre und der Verschlechterung des Signals im Laufe der Zeit“, erläutert Werner. „Die neue Generation von Festkörper-HF wird vor allem durch die Mobilkommunikation vorangetrieben, wo eine hohe Leistungslinearität erforderlich ist, die durch Transistoren und Halbleiter erzeugt wird. Diese Methode erzeugt ein stabiles, effizientes und, was noch wichtiger ist, kontrollierbares und reproduzierbares Signal, das mit einem Magnetron niemals realisiert werden könnte.“

„Es gibt viele Faktoren, die eine Rolle spielen, wenn es darum geht, wie man HF-Energie am besten einsetzt, und wir werden viele davon in der neuen Schulung behandeln. Wir werden eine Mischung aus Theorie und Praxis verwenden, um die Technologie tiefer zu ergründen. Von Sicherheitsaspekten wie Strahlenbelastung – die es nicht gibt – bis hin zu Frequenzen, Verhalten und Interaktion mit Materie“, beschreibt Werner. „Die Realität ist, dass diese Technologie extrem nützlich und vollständig skalierbar ist. Vom Erhitzen kleinster Flüssigkeitsmengen unter sehr gut kontrollierten Bedingungen für Covid-Tests bis hin zum Kochen von 1.000 Litern Suppe pro Stunde. Diese modulare Technologie ist von Mikrojoule bis hin zu Megajoule anwendbar, mit nahezu unendlichen Möglichkeiten.“

Dieser Artikel wurde von Collin Arocho geschrieben, Tech-Redakteur von Bits&Chips.

Systemarchitekten sind in der High-Tech-Industrie immer gefragter. Sie sorgen für Fokus, Überblick und Ergebnisse in komplexen Entwicklungsprojekten. Das bedeutet Wert für die Kunden und Euro für ihr eigenes Unternehmen. Wir fragen Gerrit Muller, den Gründer der Sysarch-Schulungen am High Tech Institute, nach den Geheimnissen guter Systemarchitekten.

Das Bild, das die meisten Menschen von Systemarchitekten haben, ähnelt dem der Architekten von Gebäuden und Konstruktionen. Sie erwarten von diesen Fachleuten, dass sie komplexe Maschinen oder Produkte in Teile zerlegen, ihnen Eigenschaften verleihen und die Schnittstellen zwischen ihnen definieren. Das alles läuft auf Skizzieren und Zeichnen hinaus. In der Praxis sind diese Aufgaben auch die sichtbarsten. In Gebäuden, aber auch in der technischen Industrie, wo sich das Skizzieren in Blockdiagrammen, CAD-Zeichnungen oder Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagrammen ausdrückt. Alle Teile werden sichtbar gemacht und Sie können sehen, wie die Dinge zusammenhängen.

Ein Architekt muss in der Tat ein System oder Produkt transparent machen. Aber das ist nur die Grundlage und nicht das, worum es bei der Arbeit wirklich geht. „Wenn Sie es in Teile zerlegen, diese Teile und die Verbindungen zwischen ihnen betrachten, haben Sie nur ein statisches Bild“, sagt Gerrit Muller, Professor an der Universität von Südostnorwegen in Kongsberg und Gründer der Sysarch-Schulungen am High Tech Institute.

Natürlich sind Zeichnungen nützlich. „Die Schnittstellen ermöglichen es uns, die Komponenten voneinander zu trennen. Sie sind wichtig und die Schnittstellen müssen gut definiert sein, aber mit ihnen haben Sie immer noch eine Sammlung von Teilen, eine Kiste mit Teilen.“

Die Probleme, erklärt Muller, entstehen, wenn diese Teile anfangen, miteinander zu interagieren. „Darin liegt der Wert des Systems. Denn zusammen sorgen sie für die beabsichtigte Funktion und zusammen tun sie es gut genug, genau genug, schnell genug, zuverlässig genug, sicher genug – eine Menge dieser Art von benennbaren Eigenschaften.“

Verhalten und Eigenschaften ergeben sich also aus den Teilen, die miteinander interagieren. „Als Systemarchitekt oder Systemingenieur entwerfen Sie, um das gewünschte Verhalten und die gewünschten Eigenschaften zu erhalten und verhindern unerwünschtes Verhalten und störende Eigenschaften.“

Alles andere als trivial

Aber in der Praxis ist diese Interaktion so komplex, dass wir nicht alles vorhersehen und verstehen können. „Das gewünschte Verhalten zu erreichen, ist alles andere als trivial. Ein System ohne unerwünschte Eigenschaften zu entwerfen, ist auch alles andere als einfach. In der Integrationsphase, wenn die Teile hergestellt werden, treten in der Regel unvorhergesehene Dinge auf – Sie erhalten nicht die gewünschte Leistung. Normalerweise laufen die Dinge nicht so, wie Sie es sich vorgestellt haben.“

Je besser der Systemarchitekt ist, desto besser kann er einschätzen, ob der Entwurf funktionieren wird?

„Ja, aber ich möchte noch einen Schritt weiter gehen. Sie müssen nicht nur Schätzungen vornehmen, sondern auch in der Lage sein, zu visualisieren und zu kommunizieren. Das kann mit Skizzen und Modellen geschehen. Das Ziel ist die Kommunikation mit vielen Beteiligten wie Designern, Produktmanagern, Kunden, dem Chef und anderen Architekten. Gute Architekten machen das System explizit und damit diskutierbar und vernünftig. Auf diese Weise stellen sie sicher, dass jeder darüber nachdenken und seine Ideen einbringen kann. Zum Beispiel, indem sie Fragen stellen wie: Angenommen, wir machen dies oder das, was wird dann passieren? Dies führt zu besseren Entscheidungen beim Entwurf oder der Spezifikation. Diese Kommunikation in Teams und Unternehmen optimal zu gestalten, ist die Kernfunktion des Architekten.“

Als Beispiel erinnert sich Muller an eine Beschreibung von Guido de Boer, als er noch bei ASML arbeitete. De Boer schrieb den Weg eines Siliziumwafers durch einen lithografischen Stepper auf: über den Wafer-Handler und die Wafer-Bühne, einschließlich aller Vorgänge wie Bewegen, Messen und Belichten. Er nannte die Geschichte „Life of the wafer“.

‚Life of the wafer‘ war eine Reihe von Zeichnungen, die zeigten, was passierte. Es half zu verstehen, was mit einem Wafer während der Ausrichtung, der Messung des Profils und all diesen Dingen passiert. Der Nachteil war, dass jeder damit seine Probleme diskutierte, gerade weil es ein so praktisches Werkzeug war.“

Dies erwies sich als unwirksam. „Um ein sogenanntes Luftbild zu besprechen, ist es zum Beispiel nützlich zu wissen, was im Lichtweg eines Steppers passiert: von der Lichtquelle über den Illuminator, die Maske und die Linse bis zum Fotolack. Solche Beschreibungen von dynamischen Pfaden nebeneinander geben einen großen Einblick in die Funktionsweise eines Systems. Sie sorgen für Verständnis und bieten die Möglichkeit, das Ganze zu diskutieren und zu reflektieren. Um das dynamische Verhalten zu begreifen, benötigen Sie oft eine ganze Reihe von ergänzenden Zeichnungen oder Modellen. Auf diese Weise machen Sie das ganze System diskutierbar.“

Alles, um das dynamische Verhalten besser in den Griff zu bekommen?

„Ja, denn es gibt ein unendliches dynamisches Verhalten eines Systems und seiner Umgebung. In diesem unendlichen Berg von Interaktionen wollen Sie den Kontext visualisieren. Das bedeutet, die Ereignisse sichtbar zu machen, die den größten Einfluss haben. Es bedeutet, dass der Systemarchitekt wissen muss, was er an andere delegieren kann und was er ignorieren kann, weil es zu wenig Einfluss hat. Hier kommen die wahren Architekten ins Spiel, die Profis, die wissen, wo sie tiefer graben müssen und die die Kunst des Weglassens verstehen.“

Wie funktioniert dieser Prozess des Weglassens in der Praxis?

Muller erklärt, dass dies eine echte Kunst ist, denn Systemarchitekten arbeiten in einer Umgebung mit viel Lärm. „Es wird immer ein Teammitglied geben, das nach mehr Details fragt, während jemand anderes schreit, dass sein Teil nicht sichtbar ist. Aber sobald man zu viel sieht, beginnen die Details zu dominieren und die Funktion und die Anwendung treten in den Hintergrund. Sie sehen nicht mehr, wie es funktioniert und was die Wirkung ist.“

Das Verschweigen von Details gehört dazu, um die Komplexität in den Griff zu bekommen. Systemarchitekten kennen die Software-Stacks, die Leiterplatten und die gewählten Legierungen. Sie können auch mit ihren Softwareingenieuren, Elektrikern und Mechanikern darüber sprechen, aber sie sollten es nicht übertreiben. Sie sind gezwungen, sich auf die eher abstrakten Ebenen zu konzentrieren.

Die erste Ebene ist für jeden leicht erkennbar, die der Module, Einheiten oder Subsysteme. „Wie auch immer Sie es nennen wollen“, sagt Muller. „Es sind die Dinge, die produziert werden und die man anfassen kann. Sie passen gut in die Denkweise der Techniker. In der Lithografie sind das zum Beispiel Einheiten wie eine Bühne, ein Wafer-Handler oder ein Objektiv.“

Darüber kommt eine Abstraktionsschicht, bei der es normalerweise um Funktionalität geht. „Platzieren des Wafers oder Verschieben einer Waferebene“.

Auf der Ebene darüber werden die Qualitäten besprochen. „Gute Überlagerung, gute Tiefenschärfe, Geschwindigkeit – solche Dinge.“

Dann kommt die Ebene, auf der die Qualitäten in den Eigenschaften der Anwendung zusammenkommen. „Das sind die Dinge, auf die Ihre Kunden warten, wie z.B. die Ausbeute“, betont Muller. „Sie müssen also verstehen, welche Rolle die Schärfentiefe spielt und welche Schärfentiefe genau wichtig ist und welche Abweichungen die Muster auf einem verarbeiteten Wafer haben können. Auf dieser Ebene können Sie alles in einen größeren Zusammenhang stellen.“

Laut Muller sollten Systemarchitekten in der Lage sein, auf all diesen Ebenen zwischen verschiedenen Standpunkten zu wechseln. „Geht es bei Ihrem Produkt um Geschwindigkeit oder Genauigkeit? Wenn es genau und schnell sein muss, wie genau und schnell dann? Ich kann etwas schnell oder superpräzise machen, aber meistens wollen Sie sowohl Geschwindigkeit als auch Genauigkeit. Dann müssen Sie den goldenen Mittelweg finden – das ist es, worum es geht.

Wie erkennen Sie den potenziellen Systemarchitekten?

„Es tut mir leid, das zu sagen, aber ein Rezept dafür habe ich nicht. Ich kenne gute Systemarchitekten. Sie sind oft eigenartige Persönlichkeiten, jeder mit seinen eigenen Qualitäten. Sie sind oft aus verschiedenen Richtungen in den Beruf gekommen. In erster Linie sind sie von Natur aus Generalisten. Sie sollten nicht vor dem großen Ganzen zurückschrecken, keine Angst vor Dingen haben, die sie nicht kennen oder die sie nicht im Blick haben. Sie sollten nicht vor neuen Dingen zurückschrecken. Sie sollten sogar von ihnen angeregt werden.“

„Ein Architekt ist jemand, mit dem jeder reden kann. Stellen Sie sich ein großes Gebäude mit einem Raum vor, in dem immer Kollegen vorbeikommen. Wahrscheinlich hat der Systemarchitekt dort seinen Schreibtisch, auch wenn er nicht offiziell diese Berufsbezeichnung trägt. Die Interaktion mit ihm ist ein natürliches Phänomen im Team, weil andere erfahren, dass diese Person ihnen hilft.“

Wenn ein Unternehmen noch keinen Systemarchitekten hat, ist dies die Person, die Sie suchen sollten?

„Ganz genau. Wenn Sie das Profil des Systemarchitekten, wie wir es im Sysarch-Kurs definieren, daneben stellen, passt es in der Regel sehr gut. Und noch etwas: Systemarchitekten sind immer multitaskingfähig.“

Was genau meinen Sie damit?

„Die Fähigkeit, ständig den Blickwinkel zu wechseln, wie wir es nennen. Ein Problem aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Das kann man lernen, oder man ist gezwungen, es zu lernen. Dieses Multitasking ist unerlässlich, kann aber sehr anstrengend sein. Manche Menschen sind sehr gut im Systemdenken, aber sie sind völlig verloren, wenn sie Multitasking betreiben müssen.“

Was sind die größten Herausforderungen für Menschen, die neu in dieser Rolle sind?

„Die Menschen konzentrieren sich oft zu sehr auf das System und die Technologie. Sie müssen ihnen helfen, aus dem System herauszukommen und sich in die Welt der Kunden, des Produktlebenszyklus und des Geschäfts zu versetzen. Sie müssen mehr aus sich herausgehen und brauchen einen Anstoß, um das zu tun. Kommunikation oder Soft Skills sind ebenfalls nützlich.“

„Stellen Sie sich ein großes Gebäude mit einem Raum vor, den die Kollegen immer betreten. Das ist wahrscheinlich das Büro des Systemarchitekten, auch wenn er diese Berufsbezeichnung nicht offiziell trägt.

Die Komplexität von Systemen nimmt zu. Steigt dadurch der Bedarf an Systemarchitekten?

„Man kann nur hoffen, dass die Probleme von vor zwanzig Jahren so gut bekannt sind, dass wir sie jetzt auf strukturiertere Weise lösen können. Das würde es den Architekten von heute ermöglichen, sich auf die komplexeren Probleme zu konzentrieren. Es gibt fast kein System mehr, das nicht mit anderen Systemen verbunden ist. Es gibt fast keine Funktionen und Merkmale mehr, die nicht von mehreren Systemen abhängen. Ich muss nicht nur das System verstehen, an dem ich arbeite, sondern auch andere Systeme, einschließlich der Interaktion und der Menschen, die es umgeben. Diese Komplexität, dieses Wachstum, ist eine Tatsache des Lebens.

Sie sind Professor in Norwegen und arbeiten einen Tag pro Woche bei ESI in Eindhoven. Welcher Art sind die Probleme, mit denen die Unternehmen Sie konfrontieren?

„Alle Fragen, die auch in der Sysarch Schulung. Was ist die Rolle des Architekten in meinem Unternehmen? Wie berücksichtige ich die langfristige Strategie? Wie kann ich Architekten dabei helfen, ihre Arbeit bestmöglich zu erledigen?“

„Manche Unternehmen sagen sofort: Ich möchte modellbasierte Systementwicklung, MBSE, machen. Dann bin ich immer neugierig auf ihre eigentliche Frage. Haben sie einen administrativen Bedarf? Müssen sie die von der amerikanischen FDA auferlegten Regeln einhalten? Oder müssen sie Untersuchungen durchführen oder besser kommunizieren? Sie können aus vielen verschiedenen Gründen modellieren.“

„Viele Unternehmen kämpfen mit der gleichen Frage: Sie wollen eine Plattform schaffen, weil sie Produkte 1, 2 und 3 haben, die viele Synergien aufweisen, aber alle unterschiedlich sind. Oder sie haben ständig Projekte, um verschiedene Produktvarianten herzustellen. Plattformen, Standardisierung – ich bekomme oft Fragen dazu. Für einen Architekten ist das eine Gratwanderung, denn Standardisierung kann die Dinge starr machen und dadurch den Wert für die Kunden verringern.“

Lässt sich das Wissen im Bereich der Systemarchitektur in überschaubare Brocken verpacken?

„Das wirft die Frage auf: Was ist das Können und was ist die Kunst? Was können wir den Menschen an Methoden und Mitteln bieten, und was können Sie als Lehrer nicht vermitteln? Kompetente Systemarchitekten haben eine lange Entwicklung hinter sich. Das ist eine Ansammlung von Zeit und Erfahrung. Aber wenn man etwas lange Zeit gemacht hat, heißt das noch lange nicht, dass man die Fähigkeit dazu entwickelt hat. Man braucht eine gewisse Erfahrung. Es geht darum, Situationen zu erkennen und über sie nachzudenken. Sie wissen, warum manche Dinge nicht funktionieren, weil Sie es erlebt haben, und beim nächsten Mal wissen Sie, wie Sie es beim ersten Mal richtig machen. Ein solcher Zyklus der Reflexion ist für einen Systemarchitekten eigentlich unerlässlich, um zu lernen und ein nützliches Maß an Erfahrung zu erreichen.“

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers, Tech-Redakteur von Bits&Chips, geschrieben.

Obwohl die Sicherheitsforschung im Bereich des maschinellen Lernens noch in den Kinderschuhen steckt, ist es klar, dass barrierefreie Eingabemöglichkeiten die Bedrohungen erhöhen. Sie brauchen keine Tastatur mehr zu berühren, um ein maschinelles Lernsystem zu täuschen. Der Software-Sicherheitsexperte Balázs Kiss geht auf einige Punkte in diesem neuen Bereich ein und gibt Ratschläge zu den grundlegenden Schutzmaßnahmen.

Genau wie Software im Allgemeinen sind auch maschinelle Lernsysteme anfällig. „Einerseits sind sie wie neugeborene Babys, die sich ganz auf ihre Eltern verlassen, um zu lernen, wie die Welt funktioniert – einschließlich ‚Hintertüren‘ wie Märchen oder der Weihnachtsmann“, sagt Sicherheitsexperte Balázs Kiss von Cydrill, einem auf Softwaresicherheit spezialisierten Unternehmen. „Andererseits sind maschinelle Lernsysteme wie alte Katzen mit schlechtem Sehvermögen – wenn eine Maus lernt, wie die Katze jagt, kann sie leicht vermeiden, gesehen und gefangen zu werden.“

Es sieht nicht gut aus, meint Kiss. „Die Sicherheit beim maschinellen Lernen wird zu einem kritischen Thema.“ Er weist darauf hin, dass die meisten Softwareentwickler und Experten für maschinelles Lernen die Angriffstechniken nicht kennen. „Nicht einmal diejenigen, die der Software-Sicherheitsgemeinschaft schon lange bekannt sind. Auch die entsprechenden Best Practices sind ihnen nicht bekannt. Das sollte sich ändern.“

Der Sicherheitsexperte und erfahrene Softwaretrainer Balázs Kiss hat kürzlich einen neuen Kurs über die Sicherheit beim maschinellen Lernen entwickelt, der in Kürze vom High Tech Institute in den Niederlanden angeboten wird.

Lösungen für maschinelles Lernen (ML) sind – wie Softwaresysteme – auf verschiedene Weise angreifbar und erhöhen den Sicherheitsbedarf. Letztes Jahr wurde dies auf recht peinliche und einfache Weise von zwei Studenten aus Leuven aufgezeigt. Es gelang ihnen, Yolo (You Only Look Once), einen der beliebtesten Algorithmen zur Erkennung von Objekten und Personen, in die Irre zu führen. Indem sie ein Pappschild mit einem bunten Aufdruck von 40 mal 40 cm vor ihrem Körper trugen, machten sich Simen Thys und Wiebe Van Ranst als menschliche Personen unerkennbar. Ein weiteres Beispiel stammt von McAfee-Forschern, denen es gelang, den Tesla-Autopiloten zu täuschen, indem sie Geschwindigkeitsbegrenzungsschilder falsch einordneten und das Auto über 35 mph hinaus beschleunigen ließen.

Kennen Sie Ihren Feind

„Eine wesentliche Voraussetzung für die Cybersicherheit ist: Kenne deinen Feind“, sagt Kiss, der auch ein erfahrener Softwaretrainer ist und vor kurzem einen brandneuen Kurs über ML-Sicherheit entwickelt hat, der in Kürze vom High Tech Institute in den Niederlanden eingeführt wird. „Am wichtigsten ist, dass Sie mit dem Kopf eines Angreifers denken“, sagt er.

Werfen wir einen Blick darauf, was die Angreifer beim maschinellen Lernen ins Visier nehmen werden. Alles beginnt mit der Erforschung dessen, was Sicherheitsexperten als „Angriffsfläche“ bezeichnen: die Kombination aller verschiedenen Punkte in einer Softwareumgebung, an denen ein unbefugter Benutzer versuchen kann, Daten einzugeben oder zu extrahieren. Die Angriffsfläche so klein wie möglich zu halten, ist eine grundlegende Sicherheitsmaßnahme. Wie die Studenten aus Leuven bewiesen haben: Um ein ML-System zu täuschen, müssen Sie nicht einmal eine Tastatur anfassen.

Ein gängiges Sprichwort in der Welt des maschinellen Lernens lautet „Garbage in, garbage out“. Alle Algorithmen verwenden Trainingsdaten, um ihr Verhalten festzulegen und zu verfeinern. Schlechte Daten führen zu unerwartetem Verhalten. Das kann daran liegen, dass das Modell bei den Trainingsdaten gut funktioniert, aber die Ergebnisse nicht auf andere Beispiele verallgemeinern kann (Überanpassung), dass das Modell nicht in der Lage ist, die zugrundeliegenden Trends der Daten zu erfassen (Unteranpassung) oder dass es Probleme mit dem Datensatz gibt. Verzerrte, fehlerhafte oder mehrdeutige Trainingsdaten sind natürlich ein zufälliges Problem, und es gibt Möglichkeiten, damit umzugehen. Zum Beispiel durch die Verwendung geeigneter Test- und Validierungsdatensätze. Wenn jedoch ein Angreifer absichtlich schlechte Daten einspeist, ist das ein ganz anderes Szenario, für das wir ebenfalls spezielle Schutzmaßnahmen benötigen.

Angreifer sind schlau

Kiss: „Wir müssen einfach davon ausgehen, dass es böswillige Benutzer gibt. Diese Angreifer müssen nicht einmal besondere Privilegien innerhalb des Systems haben, aber sie können Roheingaben als Trainingsdaten bereitstellen und die Ausgabe des Systems sehen, typischerweise den Klassifizierungswert. Das bedeutet bereits, dass sie absichtlich schlechte oder bösartige Daten senden können, um unbeabsichtigte ML-Fehler auszulösen.“

„Aber das ist nur die Spitze des Eisbergs“, findet Kiss. „Denken Sie daran, dass Angreifer immer auf ein Ziel hinarbeiten. Sie werden bestimmte Aspekte der ML-Lösung ins Visier nehmen. Durch die Wahl der richtigen Eingaben können sie dem Modell, der generierten Vorhersage und sogar den verschiedenen Code-Bestandteilen, die diese Eingaben verarbeiten, großen Schaden zufügen. Angreifer sind schlau. Sie sind nicht darauf beschränkt, statische Eingaben zu senden – sie können lernen, wie das Modell funktioniert und ihre Eingaben verfeinern, um den Angriff anzupassen.“

Im Falle des überwachten Lernens umfasst es alle drei Hauptschritte des ML-Workflows. Für das Training kann ein Angreifer Eingabedaten zur Verfügung stellen. Für die Klassifizierung kann ein Angreifer Eingabedaten bereitstellen und das Klassifizierungsergebnis lesen. Wenn das ML-System über eine Feedback-Funktion verfügt, kann ein Angreifer auch falsche Rückmeldungen geben („falsch“ für eine gute Klassifizierung und „richtig“ für eine schlechte), um das System zu verwirren.

Handgefertigte Eingaben

Viele Angriffe nutzen sogenannte gegnerische Beispiele. Diese manipulierten Eingaben nutzen entweder das implizite Vertrauen aus, das ein ML-System in die vom Benutzer erhaltenen Trainingsdaten setzt, um seine Sicherheit zu beeinträchtigen (Poisoning) oder das System dazu zu bringen, seine Eingaben falsch zu kategorisieren (Evasion). Derzeit gibt es keine narrensichere Methode, mit der diese Beispiele automatisch erkannt und herausgefiltert werden können. Selbst die beste Lösung, bei der einem System beigebracht wird, negative Beispiele zu erkennen, ist in ihrer Reichweite begrenzt.

Indem sie ein Pappschild mit einem bunten Aufdruck von 40 x 40 cm vor ihrem Körper trugen, machten sich Simen Thys und Wiebe Van Ranst als menschliche Personen unerkennbar. Kredit: KU Leuven/Eavise

Natürlich gibt es Verteidigungsmaßnahmen zur Erkennung oder Abschwächung von Negativbeispielen. Ein intelligenter Angreifer kann jedoch Lösungen wie die Verschleierung umgehen, indem er auf adaptive Weise eine Reihe von Gegenbeispielen erzeugt. Kiss verweist auf einige exzellente Arbeiten, die dies hervorheben, wie die von Nicholas Carlini und seinen Kollegen bei Google Brain.

Alles in allem befindet sich die ML-Sicherheitsforschung noch in einem frühen Stadium. Die aktuellen Studien konzentrieren sich hauptsächlich auf die Bilderkennung. Allerdings sind einige Abwehrtechniken, die bei Bildern gut funktionieren, bei Text oder Audio möglicherweise nicht wirksam. „Dennoch gibt es eine Menge Dinge, die Sie tun können, um sich in der Praxis zu schützen“, verrät Kiss. „Leider schützt Sie keine dieser Maßnahmen vollständig vor bösartigen Aktivitäten. Alle diese Maßnahmen bieten jedoch zusätzlichen Schutz und erschweren die Ausführung von Angriffen.“

Das Wichtigste, so der Cydrill-Experte, ist, dass Sie mit dem Kopf eines Angreifers denken. „Sie müssen neuronale Netze mit gegnerischen Beispielen trainieren, damit sie diese Informationen ausdrücklich als falsch erkennen.“ Laut Kiss ist es eine gute Idee, gegnerische Muster aus allen derzeit bekannten Angriffstechniken zu erstellen und zu verwenden. Ein Test-Framework kann solche Muster generieren, um den Prozess zu vereinfachen. Es gibt bereits Sicherheitstest-Tools, die dabei helfen können – wie die ML-Fuzz-Tester Tensorfuzzs und Deeptest, die automatisch ungültige oder unerwartete Eingaben erzeugen.

Sanitätskontrollen

Die Begrenzung der Möglichkeiten des Angreifers, gegnerische Proben zu senden, ist immer eine gute Abschwächungstechnik. Dies lässt sich leicht erreichen, indem man einfach die Anzahl der von einem Benutzer akzeptierten Eingaben begrenzt. Natürlich ist es nicht einfach, zu erkennen, dass derselbe Benutzer hinter einer Reihe von Eingaben steckt. „Dies ist die gleiche Herausforderung wie bei verteilten Denial-of-Service-Angriffen, aber die gleichen Lösungen könnten auch funktionieren.“

Wie immer bei der Softwaresicherheit kann eine Eingabeüberprüfung helfen. Es mag nicht trivial sein, automatisch gute von schlechten Eingaben zu unterscheiden, aber es ist auf jeden Fall einen Versuch wert. Wir können auch das maschinelle Lernen selbst nutzen, um anomale Muster in den Eingaben zu erkennen. „Im einfachsten Fall, wenn die von einem nicht vertrauenswürdigen Benutzer erhaltenen Daten durchweg näher an der Klassifizierungsgrenze als am Durchschnitt liegen, können wir die Daten für eine manuelle Überprüfung markieren oder sie einfach auslassen.

Regelmäßige Überprüfungen mit Testdaten können ebenfalls hilfreich sein. Wenn Sie bei jedem neuen Trainingszyklus denselben Testdatensatz gegen das Modell laufen lassen, können Sie Vergiftungsversuche aufdecken. Kiss: „Ablehnen bei negativer Auswirkung, Roni, ist hier eine typische Verteidigung, um zu erkennen, ob sich die Fähigkeit des Systems, den Testdatensatz zu klassifizieren, nach der Umschulung verschlechtert.“

Die offensichtlichste Tatsache über die Sicherheit von ML wird oft übersehen, bemerkt Kiss. „Lösungen für maschinelles Lernen sind Softwaresysteme. Wir programmieren sie in Python – oder möglicherweise in C++ – und daher weisen sie potenziell alle gängigen Sicherheitslücken auf, die für diese Sprachen gelten.“ Der Cydrill-Trainer rät uns insbesondere, Punkt 9 der OWASP Top Ten zu beachten. Das Open Web Application Security Project ist ein Dokument, das die zehn kritischsten Sicherheitsprobleme in Webanwendungen zusammenfasst, um das Bewusstsein zu schärfen und das Risiko von Angriffen zu minimieren. Punkt 9 warnt Entwickler vor der Verwendung von Komponenten mit bekannten Sicherheitslücken. „Jede Schwachstelle in einem weit verbreiteten ML-Framework wie Tensorflow oder einer seiner vielen Abhängigkeiten kann weitreichende Folgen für alle Anwendungen haben, die es verwenden.“

Potenzielle Angriffsziele

Die Angreifer interagieren mit dem ML-System, indem sie Daten über die Angriffsfläche einspeisen. Versetzen Sie sich in den Kopf des Angreifers und stellen Sie Fragen. Wie verdaut die Anwendung die Informationen? Welche Art von Daten? Akzeptiert das System Bilder sowie Audio- und Videodateien? Oder gibt es Beschränkungen? Wenn ja, wie prüft es die Typen? Übernimmt das Programm das Parsing oder delegiert es dies vollständig an eine Open-Source- oder kommerziell erhältliche Medienbibliothek? Und hat das Programm nach der Vorverarbeitung der Daten irgendwelche Annahmen (leeres Feld, Anforderungen an Werte)? Sind die Daten in einer relationalen Datenbank oder in XML oder JSON gespeichert? Wenn ja, welche Operationen führt der Code mit diesen Daten durch, wenn sie verarbeitet werden? Wo werden die Hyperparameter gespeichert und können sie während der Laufzeit geändert werden? Verwendet die Anwendung Bibliotheken, Frameworks, Middleware oder Webservice-APIs von Drittanbietern als Teil des Workflows, der die Benutzereingaben verarbeitet? Wenn ja, welche?

Kiss: „Jede dieser Fragen kann auf potenzielle Angriffsziele hinweisen. Jede von ihnen kann Schwachstellen verbergen, die Angreifer ausnutzen können, um ihre ursprünglichen Ziele zu erreichen.“

Diese Schwachstellen haben weniger mit dem maschinellen Lernen zu tun als vielmehr mit den zugrundeliegenden Technologien: der Programmiersprache selbst (wahrscheinlich Python), der Einsatzumgebung (mobil, Desktop, Cloud) und dem Betriebssystem. Aber die Gefahren, die von ihnen ausgehen, sind genauso kritisch wie die gegnerischen Beispiele – eine erfolgreiche Ausnutzung kann zu einer vollständigen Kompromittierung des ML-Systems führen. Dies beschränkt sich nicht auf den Code der Anwendung selbst. Der Forscher Rock Stevens von der University of Maryland untersuchte Schwachstellen in häufig verwendeten Plattformen wie Tensorflow und Pytorch.

Echte Bedrohungen

Kiss‘ wichtigste Botschaft ist, dass ML-Sicherheit viele reale Bedrohungen abdeckt. Sie ist nicht nur eine Teilmenge der Cybersicherheit, sondern weist viele Merkmale der Softwaresicherheit im Allgemeinen auf. Wir sollten uns nicht nur um bösartige Samples und gegnerisches Lernen kümmern, sondern auch um alle üblichen Schwachstellen der Software-Sicherheit. Maschinelles Lernen ist nun einmal Software.

ML-Sicherheit ist eine neue Disziplin. Die Forschung hat gerade erst begonnen, wir fangen gerade erst an, die Bedrohungen, die möglichen Schwachstellen und die Anfälligkeiten zu verstehen. Dennoch können ML-Experten viel von der Software-Sicherheit lernen. Die letzten Jahrzehnte haben uns hier viele Lektionen erteilt.

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von Bits&Chips.

Als Projektmanager, Systemarchitekt und Krisenmanager in der High-Tech-Branche ist Luud Engels dafür bekannt, dass er kein Blatt vor den Mund nimmt. Neben seiner Beratertätigkeit arbeitet er seit kurzem auch als Trainer für Systemarchitekten am High Tech Institute. „Klare Kommunikation ist in komplexen Entwicklungsumgebungen das A und O.“

Beginnen Sie nicht mit Luud Engels darüber, wie aufgeschlossen und kommunikativ wir als Systemarchitekten in der niederländischen High-Tech-Branche sind. Er wird energisch antworten und betonen, wie heuchlerisch es ist, das zu glauben. „Hier in der Region Brabant sind wir überhaupt nicht so offen. Stellen Sie sich einfach an eine Kaffeemaschine und hören Sie zu. Wir reden nicht mit Ihnen, wir reden über Sie.“

Wenn es um direkte Kommunikation – oder besser gesagt, Konfrontation – geht, hat Engels einen guten Ruf. Vor ein paar Monaten wurde er vor die Tür gesetzt, nachdem er – laut seinem Kunden – deutlich zum Ausdruck gebracht hatte, was in dem Unternehmen falsch lief. „Ich bin davon überzeugt, dass man zum richtigen Zeitpunkt jedem alles sagen kann – sei es in einer Teamsitzung oder in einem Gespräch zwischen zwei Personen. Natürlich tun das die meisten Niederländer nicht. Aber ich scheine darin auch nicht besonders gut zu sein, denn ich sage die Dinge manchmal so unverblümt, dass die Leute mir sagen, ich solle mich verziehen.“

Engels‘ Wertschätzung für sachliche und klare Kommunikation stammt aus seiner langjährigen Erfahrung als Projektmanager, Systemarchitekt, Krisenmanager und Mitglied des Managementteams beim Ingenieurbüro TMC. Sein Rat für Entwicklungsumgebungen: „Sagen Sie Ihre Meinung. Auch über persönliche Dinge. Es ist völlig in Ordnung, wenn Sie jemandem sagen, dass sein blaues Hemd Sie stört. Aber Aussagen wie ‚Microsoft ist scheiße und Apple ist gut‘ sind nicht hilfreich. Machen Sie es sachlich: Werden wir objektorientiert oder prozessorientiert arbeiten? Werden wir Glas oder Titan verwenden? Was sind die Vorteile? Was sind die Nachteile? Wenn ich über Glas spreche, muss ich nicht die ganze Geschichte der Glashütten kennen. Ich will die fünf wichtigsten Kriterien – in Zahlen, nicht in Positiven und Negativen. Wenn Sie die vorherrschenden Parameter kennen, wissen Sie auch, wie man sie messen kann und wir können uns auf die ersten Entwicklungsschritte einigen, um die Messungen zu ermöglichen.“

Engels betont, dass bei der Entwicklung von High-Tech-Systemen mehrere Wege nach Rom führen und dass es wichtig ist, bei der getroffenen Wahl zu bleiben. „Stellen Sie sicher, dass das gesamte Team zumindest auf demselben Weg ist, anstatt endlos nach der einzig richtigen Lösung zu suchen – die es per Definition nicht gibt.“

Aber manchmal können selbst die einfachsten Dinge schief gehen. „Einmal, nach einem positiven Gespräch mit einem Kunden, erhielt ich den Bericht in umgangssprachlichem Niederländisch. Ich fragte, ob die Vertreter des Kunden den Text genehmigt hätten. Natürlich hatten sie das nicht. Also bestand ich darauf, den Bericht auf Englisch abzufassen, ihn dem Kunden vorzulegen und ihn um seine Zustimmung zu bitten. Schließlich geht es hier oft um Entscheidungen mit weitreichenden Folgen. Dennoch erwies sich die Abstimmung mit dem Kunden als schwierige Aufgabe.“

Die Gesetze von Luud

• Wenn die Finanzleute die Führung übernehmen, wird das Interesse der Ingenieure zweitrangig; wenn die Ingenieure die Führung übernehmen, wird es finanziell kaputt gehen
  (Über das Gleichgewicht zwischen Technik und Geld in High-Tech-OEMs)
• Der Kunde, der darum bittet, dass eine Krise abgewendet wird, ist zur Hälfte der Verursacher oder Teil der betreffenden Krise (Über Krisenmanagement)
• Ich glaube fest an die Macht des Außenseiters (Über den Krisenmanager)
• Wir reden aneinander vorbei: der eine redet in Newton pro Quadratmeter, der andere in Bits pro Sekunde (Über Kommunikation und Zusammenarbeit in der High-Tech-Branche)
• Eine Krise verschwindet nicht, indem man die Leute loswird, die den Finger auf die wunden Punkte legen (Über gestrandete Entwicklungsprojekte)

Der Außenseiter

Engels‘ umfangreiche technische Laufbahn begann mit einem Studium der Elektrotechnik. Danach wechselte er zu Sattcontrol, einem schwedischen Spezialisten für industrielle Automatisierung. Er programmierte SPSen für Eier-Sortiermaschinen, Molkereien und automatisierte Lagerhäuser. Später wechselte er zu Fortran für PDP- und Vax-Minicomputer.

Nach fünf Jahren wechselte Engels zu Cap Volmac (später Cap Gemini), wo er Projekte bearbeitete. Während er hauptsächlich im technischen Bereich arbeitete, lag der Schwerpunkt von Cap auf der Geschäftsautomatisierung. „Ich habe viel über die Entwicklung von Computersystemen und Software nach den Regeln der Kunst gelernt.“

Engels begann für Cap bei ASML, dann arbeitete er bei der niederländischen Behörde für Wasserstraßen und öffentliche Arbeiten an der Signalisierung von Autobahnen und übernahm schließlich eine Führungsrolle. Später kamen Audits hinzu. Er schätzt, dass er etwa zwanzig Projekte geprüft hat. „Nach einem Tag Rundgang weiß man, was los ist und wo das Projekt schief gelaufen ist“, sagt er. Er lächelt: „Und das sicher nicht, weil ich so klug bin oder weil ich so viel gesehen habe, sondern vor allem, weil ich ein Außenseiter war.“

Engels glaubt fest an die Macht des Außenseiters. „Sie kommen in Unternehmen, in denen etwas völlig schief gelaufen ist, und dann dürfen Sie herumlaufen und mit 5-10 Leuten sprechen. Sie alle haben eine Meinung zu dem krisenhaften Projekt. Sie bekommen die ganze Geschichte zu hören. Die Leute wollen Ihnen ihr Herz ausschütten. Sie hören, was falsch ist und vor allem: was andere nicht sagen dürfen.“

Der eigensinnige Techniker

Techniker sind ein sturer, eigensinniger Typ – und Engels sollte es wissen, denn er passt genau in dieses Schema. „Wir sind Ingenieure, nicht wahr? Wir denken so: ‚Ich bin ein Elektroingenieur und nach meinen Berechnungen sind es 5 Volt. Wenn Sie es nicht verstehen, erkläre ich es Ihnen noch einmal, aber das Ergebnis bleibt 5 Volt. Sie sind verrückt, nicht ich.‘ Bei den Projekten geht es vor allem um eine effektive Zusammenarbeit. Das ist der schwierige Teil. Der eine spricht in Newton pro Quadratmeter, der andere in Bits pro Sekunde. Der eine spricht über das Ziel, der andere über die Lösung. Die Hochtechnologie ist ein einziger großer Turm zu Babel. Das fängt bei den Anforderungen an und setzt sich fort bis hin zu Design, Integration und Tests. Das ist auch gut so: Wenn ich ein Projekt selbst durchführe und ein Außenstehender dazukommt, wird er oder sie auch Löcher hineinschießen.“

Luud Engels wird die Mitte November stattfindende Schulung zum Systemarchitekten (Sysarch) in Leuven (Belgien) leiten.

Engels zieht es vor, dann einzugreifen, wenn die Krise am schlimmsten ist. Nehmen Sie das Projekt Fusion, das Ende der neunziger Jahre bei Philips lief. Sein ehrgeiziges Ziel war es, die mechanische, elektrische und softwaretechnische Konstruktion für medizinische Diagnosesysteme auf einer einzigen Plattform abzudecken. Die Idee war, dass Kosteneinsparungen durch Wiederverwendung den umfangreichen Betrieb rechtfertigen würden. „Der Direktor schilderte sein Problem folgendermaßen: Jeden Monat kamen dreißig neue Entwickler zu dem Projekt hinzu und jeden Monat teilten sie ihm mit, dass sich die Fertigstellung um weitere zwei Monate verzögert.“

Engels wandte wiederum die Macht des Außenseiters an. „Dem Außenseiter ist es erlaubt, sich zu äußern. Je tiefer die Krise, desto empfänglicher ist man für Botschaften von außen. In der Regel haben andere Leute bereits einen Blick darauf geworfen. Aber oft legten sie ihre Finger auf wunde Punkte, auf die sie nicht zeigen durften, und mussten schließlich gehen. Sie baten mich, den derzeitigen Projektleiter zu ersetzen, weil er die Verzögerung nicht aufholen konnte. Aber eine Krise verschwindet nicht, wenn man die Leute loswird, die den Finger auf die wunden Punkte gelegt haben. Stattdessen ging ich dem amtierenden Projektleiter zur Hand. Gemeinsam konnten wir die Krise eindämmen, indem wir den Umfang anpassten und mit frühen Rückmeldungen arbeiteten. Eines meiner Gesetze lautet: Der Kunde, der darum bittet, dass eine Krise abgewendet wird, ist zur Hälfte der Schuldige oder hat zumindest einen maßgeblichen Anteil daran.“

Ist es der Tunnelblick?

„Bitte beachten Sie: Sie sprechen über sehr kompetente Leute mit sehr relevanten Argumenten und Tonnen von Wissen. Aber nach und nach wurde die Lösung oder Arbeitsmethode in verschiedenen Silos untergebracht. Sehr fähige Leute nutzen Wege ab und schaffen Gräben, die so tief sind, dass man kaum noch über den Rand schauen kann. Jeder hat seinen Graben und verteidigt ihn hartnäckig. Sie hören die Leute Dinge sagen wie: ‚Das ist nicht verhandelbar!‘ Wenn Sie das hören, weist es Sie darauf hin, wo es schief gelaufen ist und wo ein möglicher Anfang der Lösung liegt.“

Wo beginnt die Lösung?

„Das erste Gesetz des Krisenmanagements ist die Eindämmung. Bei Fusion bedeutete das, dass sie keine dreißig neuen Mitarbeiter pro Monat einstellen durften. Stattdessen mussten sie zwanzig pro Monat streichen und den Umfang reduzieren. Die tiefere Ursache war – meiner Meinung nach – reine Selbstüberschätzung. Die Plattformidee für Software allein ist eine große Herausforderung. Aber wenn Sie anfangen, Mechanik und Elektronik für alle Diagnoseprodukte einzubeziehen, wird es zu viel auf einmal. Es ist schon schwierig genug, Elektronik, Software und Mechanik gemeinsam für ein einziges System zu entwickeln, aber zu versuchen, eine Plattform für verschiedene Produktlinien in einem Projekt zu entwickeln, ist gelinde gesagt naiv. Zu dieser Zeit mussten sie auch mit Entwicklern in Bangalore zusammenarbeiten und wollten gleichzeitig von CCM Level 2 auf Level 3 wechseln. Das musste sofort aufhören. In einer Krise muss man den Umfang eines Projekts begrenzen und langfristige Verbesserungsinitiativen aufschieben.“

„Oft wissen die Techniker bereits, was falsch läuft, und das Management weiß es auch. Beide haben Recht, aber sie kommen nicht gemeinsam zu einer Lösung. Viel später arbeitete ich bei Philips DPS, wo ich sah, dass Philips erhebliche Fortschritte gemacht hatte. Die Finger auf wunde Punkte zu legen, war aber leider immer noch nicht erlaubt.“

Wie kann man das richtig machen?

Fangen Sie klein an, sagt Engels. „Sie brauchen frühes Feedback, am besten von einem Erstkunden. Ich habe Martin van den Brink bei ASML oft sagen hören: Stellen Sie alles zusammen und zeigen Sie mir, dass es funktioniert. Dann fordert er die Leute heraus, indem er sagt: ‚Ihre Physik funktioniert nicht.‘ Das war in der frühen Integrationsphase sehr häufig der Fall. Erst viel später hat die Industrie dafür schöne Worte gefunden und es Scrum, Agile und Rapid Development genannt. Aber der Punkt ist, dass Sie Feedback brauchen, und es ist wichtig, dass Sie es schon in einem frühen Stadium bekommen. Das Ziel muss sein, alle sechs Wochen etwas zu liefern, das auch wirklich funktioniert. Wenn das nicht der Fall ist, haben Sie die Mittel, um herauszufinden, warum es nicht geklappt hat, warum die Physik nicht funktioniert hat. An diesem Punkt müssen Sie vielleicht akzeptieren, dass Sie Ihren Termin nicht einhalten werden. Was Sie auf keinen Fall tun sollten, ist, mehr Leute einzustellen.“

„Wenn Techniker Ihnen sagen, dass sie mehr Zeit brauchen, um etwas zu untersuchen, müssen Sie misstrauisch werden. Van den Brink ist auch ein Meister darin, das zu beurteilen oder in Frage zu stellen.“

Eine weitere Notwendigkeit: „Machen Sie die Menschen zu Eigentümern eines Problems. Vor allem in Umgebungen mit komplexen Entwicklungen, in denen es nicht einmal ansatzweise eine Lösung gibt und neue Erfindungen erforderlich sind, fühlt sich jeder als Herr seiner Idee, mit seinem persönlichen Einblick. Wir Niederländer sind auch sehr gut darin, jede Gelegenheit zu ergreifen, um in einem sehr weiten Sinne darüber zu sprechen. Aber Sie müssen einfach den nächsten Schritt tun. Das ist das Einzige, wovon ein Projekt profitiert. Wenn Sie also in einem Raum mit dreißig Leuten sitzen und Probleme auftauchen, muss der Projektmanager, der Krisenmanager oder der Systemarchitekt für jedes Problem einen Verantwortlichen bestimmen. Dazu gehören auch Fristen für Ergebnisse und Entscheidungen.“

Laut Engels gehört das definitiv zur Kultur von ASML, aber es gab einen Zeitpunkt, an dem das Ganze aus dem Ruder lief. „Sie ernannten einen Verantwortlichen für alles und nannten ihn Projektleiter. McKinsey hat einmal eine Analyse der Projektleiter und Projektgrößen bei ASML durchgeführt. Sie fanden heraus, dass im Durchschnitt 1,2 Personen an jedem Projekt beteiligt waren, einschließlich des Projektleiters! Dann besteht die Gefahr, dass diese Eigentümer, diese Projektleiter, anfangen, um die verfügbaren Ressourcen zu konkurrieren und das eigentliche Problem in den Hintergrund gerät.“

Engels verfügt über umfangreiche Erfahrungen als Projektmanager, Systemarchitekt und Krisenmanager in der High-Tech-Industrie.

Der Produktmanager definiert das Produkt, das auf dem Markt gut abschneiden wird. Er bestimmt das verfügbare Budget – oft zu wenig – und verhandelt mit dem Systemarchitekten darüber, ob es für dieses Geld hergestellt werden kann. Engels: „Es ist ein Balanceakt. Bei ausgereiften Produkten funktioniert das anders, aber bei einer Erstentwicklung wollen Sie so schnell wie möglich einen Proof of Concept. Oder zumindest eine Bestätigung, dass Ihre Ideen richtig sind und dass Sie auf dem richtigen Weg sind.“

Inwieweit sollte der Systemarchitekt, ähnlich wie der Produktmanager, direkt mit den Kunden sprechen?

„In der High-Tech-Branche ist das unumstritten. Hier kommen der Produktmanager und der Systemarchitekt zusammen. Das müssen sie auch. Ersterer ist mehr auf das Geschäft fokussiert, letzterer betrachtet die Technologie und ob sie machbar ist. Sie sind zwei Seiten derselben Medaille. Diese Zusammenarbeit zwischen dem Produktmanager und dem Systemarchitekten wird immer mehr zur Selbstverständlichkeit. Ich sehe jedoch immer noch Systemarchitekten, die die notwendige Abstimmung mit dem Projektmanager oder dem operativen Management herunterspielen. Sie laufen dann Gefahr, dass eine Lösung, die den Marktbedürfnissen perfekt entspricht, letztlich in der Realisierungsphase scheitert.“

Bei kleineren Entwicklungsprojekten mit zehn bis zwanzig Entwicklern kann eine Person sowohl die Rolle des Projektmanagers als auch die des Systemarchitekten übernehmen. Bei größeren Projekten mit Dutzenden oder Hunderten von Entwicklern und mehreren Dutzend Zulieferern ist es wichtig, sich aufzuteilen. Engels hat Erfahrung in beiden Rollen. „Der Projektmanager setzt harte Fristen, und ein Systemarchitekt muss mit ihnen arbeiten.

„Der Projektmanager muss festlegen, welche Probleme der Systemarchitekt noch zu lösen hat und mit wem. Gemeinsam besprechen Sie die Vor- und Nachteile, wägen die Vorteile und Bedenken ab, entscheiden über die wichtigsten Parameter und dann ruft der Projektmanager den Systemarchitekten an: Ende nächster Woche treffen wir eine Entscheidung! Es geht um die Richtung, darum, ein Format zu finden, das sachkundige Leute einbezieht, um zu quantifizierten Aussagen zu gelangen, mit denen Sie wirklich eine Bewertung vornehmen können.

Ein Systemarchitekt hat einen großen Einfluss auf die Produktentwicklung, spielt aber oft eine weniger sichtbare Rolle.

„Er ist ein erfahrener Techniker, aber sein Wert liegt vor allem in seinem Blick auf das Geschäft. In neunundneunzig von hundert Fällen kennt der Systemarchitekt den Markt, auf dem sein Produkt oder System landen wird. Das ist notwendig, um die Markt- und Produktanforderungen in die Systemanforderungen zu übersetzen und dann das Design zu skizzieren.“

Man braucht schon eine Menge Erfahrung, um dieses Niveau zu erreichen. Gleichzeitig stellt Engels fest, dass das Konzept des Systemarchitekten einer Inflation unterworfen ist. „Heutzutage gibt es überall Architekten. Ein Softwarearchitekt ist in der Regel ein leitender Softwareentwickler, ein Anforderungsingenieur oder jemand, der für die Technik zuständig ist. Ich würde nichts sagen, was gegen einen solchen leitenden Ingenieur spricht. Der Unterschied zum Systemarchitekten besteht jedoch darin, dass letzterer das Unternehmen kennen muss, verstehen muss, wie Werte geschaffen werden, und somit verstehen muss, warum dies innerhalb eines bestimmten Zeit- und Kostenrahmens geschehen muss.“

„Das ist auch beim Bauen der Fall. Ihr Architekt fragt Sie, was Sie mit Ihrem zukünftigen Haus vorhaben und passt seinen Entwurf entsprechend an. Werden Sie viel kochen, oder wollen Sie hauptsächlich Wein trinken? Das ist der Grund, warum Van den Brink bei ASML so gut arbeitet. Er geht zu den Kunden und erklärt ihnen, welche Art von Lithografiesystemen sie benötigen. Er kennt den Markt wie kein anderer. Mehr noch, er diktiert den Markt. Das bedeutet, dass er die Ziele und den Zeitplan der Chiphersteller wie kein anderer versteht, einschließlich der Frage, wie ihre Produktionsprozesse aussehen. Wenn sie über kritische Dimensionen und Overlay sprechen, kann er erklären, dass seine Maschine das kann und auch begründen, warum.“

Dieser Artikel wurde von René Raaijmakers geschrieben, dem technischen Redakteur von Bits&Chips.