digitalisierung - forum zukunft · 2016. 12. 3. · laura breeden („[email protected]“)...

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Prof. Dr. Wilfried Juling

www.kit.edu

Digitalisierung –technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?

2 W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?12.03.2016

DigitalisierungKommunikation

Information

Internet E-Mail

Social Media Big Data Smart Data

Algorithmen Selektoren

Suchanfragen

Profile

Privatsphäre

Hacker

DatenspionageTrojaner

Viren Spam

NSABND

ABC – Always Be Connected

anybody, anytime, anywhere

Google

Amazon

Facebook Twitter

ebay

Wikipedia

Industrie 4.0

Smart Grids Energie

Mobilität

Smart Cities

e-Health Personalisierte Medizin

e-Learning e-Teaching

Simulation Analyse

Korrelation

Computer

Sicherheit

Clouds Apps

WiFi

Whatsapp

3

Digitalisierung

Der Begriff Digitalisierung bezeichnet die Überführung analoger

Größen in diskrete (abgestufte) Werte, zu dem Zweck, sie elektronisch

zu speichern oder zu verarbeiten.

Das Endprodukt oder Ergebnis der Digitalisierung wird mitunter als

Digitalisat bezeichnet.

Im weiteren Sinne wird mit dem Begriff auch der Wandel hin zu

elektronisch gestützten Prozessen mittels Informations- und

Kommunikationstechnik bezeichnet (Digitale Revolution).

W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?12.03.2016

4 W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?

Inhalt

Was war/ist revolutionär?

Was war/ist evolutionär?

Technologische Entwicklung der Kommunikation

mobil – pervasiv – ubiquitär

Herausforderungen der heutigen Zeit

Clouds, Social Media, Apps

Informationsflut, Big Data

eine wirklich große Datenanwendung

Internet der Dinge

Schlussanmerkungen

12.03.2016

5

Analoges Fernsprechen – Wer erinnert sich?

Fernsprechtischapparat 1961

„FeTAp 611“


Wähler 1948

„W 48“

Quelle: http://www.kahlhans.de/telefonseite/galerie/

6

Übertragungssystem: Beispiel Fernsprechnetz

Quelle SenkeUmformer RückformerPhysikalisches Medium

Primärsignal Übertragungssignal

Lautsprecher

Primärsignal


Primärsignal (hier akustisch) wird durch Umformer in ein elektrisches

(hier analoges oder digitales) Signal umgewandelt.

Das Übertragungssignal kann elektrisch oder auch optisch sein.

Mikrofon

7

Zusammengesetzte Signale

Komponente mit

niedriger Frequenz

(feste Amplitude)

Komponente mit

hoher Frequenz

(feste Amplitude)

Zusammengesetztes

Sprachsignal mit

gemischten

Frequenzen

und Amplituden

T1

t

t

t

Tn


8

Periodische und digitale Signale

Sinus-SchwingungPeriode T, Frequenz 1/T, Amplitude S(t)

T

t

S(t)

t

T

S(t)


Rechteck-Schwingung(zeitdiskret „idealisiert“)

9

E-Mail

Ray Tomlinson ( 5. März 2016)

Erfinder der E-Mail – 1971

Rechner-Rechner-Nachricht


Subject: Wilkommen in CSNET!

From: Laura Breeden breeden%csnet-

[email protected]

Via: csnet-relay; 3 Aug 84 10:14-

MET

Michael, This is your official

welcome to CSNET! We are glad to

have you aboard. […]

In Deutschland wurde am 3. August 1984

die erste Internet-E-Mail empfangen:

Michael Rotert und Werner Zorn von der

Universität Karlsruhe (TH) empfingen unter

ihren Adressen „rotert@germany“ und

„zorn@germany eine Grußbotschaft von

Laura Breeden („[email protected]“)

aus Cambridge (Massachusetts)

10

Ethernet – Lokale Vernetzung


11

Internet – weltweite Vernetzung

1969–1983: Vorläufer Arpanet

Das Internet ging aus dem im Jahr 1969 entstandenen Arpanet hervor,

einem Projekt der Advanced Research Project Agency (ARPA) des US-

Verteidigungsministeriums.

1981–1993: TCP/IP, DNS und Usenet

1973/1974: Beginn der Entwicklung der Internet-Protokollfamilie TCP/IP

(Transfer Control Protocol, Internet Protocol)

1984: Domain Name Service DNS; auf der ganzen Welt sind Rechner mit

von Menschen merkbaren Namen anzusprechen

ab 1989: Kommerzialisierung und das WWW

2003 bis heute: Web 2.0 und Clouds

Energieverbrauch des Internet: ca. 1% der weltweiten Stromerzeugung


12

„Jedermann, zu jeder Zeit, an jedem Ort“

(mit jeder Kommunikationsform)

Schrittmacherrolle: Mobiltelefonie

Benutzermobilität Gerätemobilität

Übertragung von Sprache, Daten, Audio, Video ...

bis vor wenigen Jahren:

Telekommunikation zwischen Menschen im Vordergrund

heute und zukünftig:

Technische Geräte / technische Systeme kommunikationsfähig

W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?

Trend: Mobile Kommunikation

12.03.2016

anybody, anytime, anywhere


Trend: Ubiquitäre Kommunikation

Ubiquität („Allgegenwärtigkeit“):

Persönliche Technologien

Zugang zu IT-Diensten mit sich herumtragen

Smartphones, Wearable Devices

Informationsumgebungen

Zugang zu IT-Diensten überall vorhanden

Beispiele: Smart Homes, Aktive Gebäude (cooperative buildings)

Ubiquitäre Unterstützung wirkt im Hintergrund

wird selbst aktiv, (teil-)autonom von Menschen

Beispiel: medizinische Überwachung.

12.03.2016


Entwicklungstrends in der Übersicht

12.03.2016

Quelle: Institut für Telematik, KIT


Konzept des ''alternierenden Arbeitsplatzes''

Büro- vs. Tele-Arbeitsplatz

Mobile Nutzer und Geräte

Drahtlose Kommunikation

Paradigmenwechsel: „Roaming User“

Integration der lokalen und drahtlosen Netze

Entwicklung hin zu „allgegenwärtiger Datenverarbeitung“

Erhöhung der Mobilität Mobile Computing

Einbettung der IT in Alltagsgegenstände Pervasive Computing

beides zusammen: allgegenwärtige DV Ubiquitous Computing

mobil – pervasiv – ubiquitär

12.03.2016


Smarte Objekte & Informationssysteme

Verweben der realen Welt mit der digitalen Welt

Direkte Verbindung von Informationsflüssen mit physikalischen Objekten.

Erfassung/Auswertung von sich evtl. schnell ändernden Daten der realen Welt.

Pervasive Computing Systems kommt Schlüsselrolle zu.

Informations-systeme

Reale WeltManuelleErfassung

Dateien

Information

Gegenstände, Abläufe, Vorgänge

DatenbankenObjekt-ID

Barcodescannen

RFID Tags

ObjektZustand

Sensor Netzwerke

Prozesse

PervasiveComputingSystems

12.03.2016

Quelle: Institut für Telematik, KIT

17

Herausforderungen „der heutigen Zeit“

Mobilität ‚always be connected‘

Verfügbarkeit zu jeder Zeit, an jedem Ort

Usability einfach, flexibel, personalisiert


… Wolkig!

Clouds

Social Media

Apps

18

Clouds

Chancen

Flexibilität

Dynamische

Bedarfsanpassung

Skalierbarkeit

Wirtschaftlichkeit

Risiken

Verlässlichkeit

Datensicherheit

Rechtssicherheit

Datenschutz

Abhängigkeit


Lösungen

trusted cloud

private cloud

Differenzierung provider

Bildquelle: Wikipedia

19

Social Media

Chancen

Vernetzung

soziale Interaktion

Partizipation

Aktualität

Risiken

Qualität

Relevanz

social commerce

(Profiling etc.)

shitstorm


Lösungen

Sensibilisierung

Verhaltensempfehlungen

Monitoring

20

Apps

Chancen

mobil

flexibel

preiswert

feingranular

nutzungsgerecht

Risiken

Qualität

Relevanz

Sicherheit (unerprobte SW)

bring-your-own-device-

Nutzung

Rechtskonformität


Lösungen

in-house-Angebote und -Betriebskonzepte

Richtlinien und Regelungen

Qualitätsmonitoring

21

Herausforderung Informationsflut

Tag für Tag produzierten Sensoren, Mobilgeräte, Online-Transaktionen

und Nachrichten in sozialen Netzwerken rund 2,5 Trillionen Bytes an

neuen Daten (im Jahr 2013).

Jeden Monat verschickten Twitterer mehr als vier Milliarden Tweets

und Facebook-Fans posteten mehr als 30 Milliarden Inhalte im sozialen

Netzwerk.

Täglich werden heute in Deutschland fast 700 Millionen Whatsapp-

Nachrichten geschrieben.

Pro Jahr erzeugt die Menschheit inzwischen so viele Daten, wie in der

gesamten Menschheitsgeschichte.

In diesen ‚Big Data‘ steckt ein Wissensschatz, den viele für sich

nutzen möchten.


Quelle (2013): IBM, Experton Group

22

Big Data - verschiedene Sichtweisen

Informationsflut, Datenverwertung

Integrität, Sicherheit, Sensitivität, Vertrauen

Umfang der Daten (Bits und Bytes)


Wissenschaftliche Dienste, Deutscher Bundestag, Aktueller Begriff „Big Data“:

… Vielmehr bezeichnet Big Data ein Bündel neu entwickelter

Methoden und Technologien, die die Erfassung, Speicherung

und Analyse eines großen und beliebig erweiterbaren Volumens

unterschiedlich strukturierter Daten ermöglicht.

23

Herausforderung Sensitivität und Vertrauen

Immer mehr Prozesse werden digitalisiert, was immer mehr Daten

erzeugt.

Eine gigantische Flut von Daten aus Warenwirtschafts-, Finanz- und

Kundenanwendungen kann gepaart werden mit Informationen aus

Buchungssystemen oder Meinungsäußerungen und Erfahrungen, die

Menschen über soziale Netzwerke teilen.

Immer mehr Informationen können durch immer leistungsfähigere

Systeme effizient verarbeitet werden.

Der Informationspool bietet die Chance, durch Analyse Muster zu

erkennen, die sich in Wettbewerbsvorteile ummünzen lassen.

Die Analysetechnologien lassen auch die Möglichkeiten erkennen, die sich

in ihnen verstecken, um Wettbewerbsvorteile zu erzielen.

Problematisch: Verletzung Datenschutz und Privatsphäre,

Verhaltensprofile, Korrumpierbarkeit und Manipulation


24

Herausforderung Datenverwertung

Von Big Data können nicht nur Hersteller, Dienstanbieter und

Handelsunternehmen profitieren, die genauer und schneller als bisher

erfahren, was die Kunden wünschen:

Pharmaunternehmen können bei der Suche nach Wirkstoffen teure

Fehlentwicklungen durch Simulationen vermeiden.

Banken können Finanztrends analysieren.

grundsätzlich alle datenintensiven Aufgaben wie Webindizierung, Data-

Mining, maschinelles Lernen, Observationen, Experimente,

bioinformatische Forschung und wissenschaftliche Simulation

Immer mehr Output aus Sensoren lässt sich elektronisch aufzeichnen

und weiterverarbeiten:

Diagnosegeräte, Wetterstationen, Prozessüberwachungssensoren,

Überwachungskameras - und Handys


25

Herausforderung Datenmenge

Bits und Bytes (Kilo, Mega, Giga, Tera, Peta, Exa, Zetta)

Petabyte = Tausend Terabyte = Millionen Gigabyte = 1015

Exabyte = Millionen Terabyte = 1018

Zettabyte = Milliarden Terabyte = 1021 (heutiger Weltdatenbestand)

Daten speichern und übertragen

Speichersysteme (Medien, Platten, Bänder)

Netzwerke (100 Gigabit/s, Terabit/s im Labor)

Daten aufbewahren und anbieten

Infrastrukturaufwand, Energiekosten

langfristige sichere und verlässliche Lagerung

Daten wiederfinden, analysieren und präsentieren

Data Mining, Data Analytics, Visualisierung

Daten werden erst zu Information, wenn sie interpretierbar sind!


26

Big Data in der Wissenschaft

Wissenschaft heute ist zunehmend datenintensiv

Daten-Exploration bildet heute die 4. Säule der

modernen Wissenschaft neben Experiment,

Theorie und Simulation

Komplexe Großexperimente, Observationen,

Studien und Messungen erzeugen heute deutlich

größere Daten-Volumina als je zuvor

Diese Daten stellen ein wertvolles Gut dar,

die z.T. nicht wieder erzeugbar sind


Quelle: A. Streit (SCC, KIT), U. Liebel (IAI, KIT)

27

Big Data in der Genomforschung

Etwa 10.000 Genome sind heute sequenziert, das heißt, die Abfolge der Basenpaare im DNA-Erbmolekül konnte weitgehend ermittelt werden.

Das ergibt eine Datenmenge von 5 Petabyte

zum Vergleich: am LHC wurden bislang 22 Petabyte gesammelt.

rapider Kostenverfall: ein menschliches Genom zu sequenzieren, kostete vor 5 Jahren fast 9 Millionen Dollar; im Januar 2012 waren es nur noch 7.666 Dollar, und der Preis sinkt weiter.

„Bald wird jeder Patient im Krankenhaus routinemäßig sequenziert werden, und wahrscheinlich nicht nur einmal“, sagt A. Szalay, Johns Hopkins University. „Da kommt pro Klinik schnell ein Petabyte im Jahr zusammen.“


Quelle: Rauchhaupt (FAZ)


eine wirklich große Anwendung:

Die Suche nach dem Ursprung und der elementaren

Zusammensetzung aller Materie:

"Was geschah beim Urknall?"

Offene Einzelfragen sind z.B.:

Was gibt der Materie ihre Masse?

Was ist das Geheimnis von dunkler Materie und dunkler Energie?

Was ist das Geheimnis der Gravitation?

Das CERN-Projekt "LHC" (Large Hadron Collider)

12.03.2016

29

Large Hadron Collider (LHC)


Source: CERN


Weltweit elf große Regionale Rechenzentren ("Tier-1") in:

Frankreich Großbritannien

Italien Spanien

Niederlande Skandinavien

Schweiz / CERN USA

Kanada Taiwan

...und in Deutschland Karlsruher Institut für Technology – KIT

ein globales Grid-Projekt

12.03.2016

Auswertung der LHC-Daten


1000 Byte 1 Kilobyte (kB) (103 = 1.000)

1000 kB 1 Megabyte (MB) (106 = 1.000.000)

1000 MB 1 Gigabyte (GB) (109 = 1.000.000.000)

1000 GB 1 Terabyte (TB) (1012 = 1.000.000.000.000)

1000 TB 1 Petabyte (PB) (1015 = 1.000.000.000.000.000)

1000 PB 1 Exabyte (EB) (1018 = 1.000.000.000.000.000.000)

Drei Vergleiche:

Im LHC werden 16.000.000.000.000.000 Byte/Jahr (16 PB) entstehen;

das entspricht der Summe aller von der gesamten Menschheit innerhalb

eines Jahres gesprochenen Wörter(6,3 Mrd Menschen, 525.600 min/a, 1 Wort/Mensch/min, 5 Byte/Wort)

Für 16 PB benötigt man 20 Millionen CDs – ein Stapel von 22 km Höhe(700 MB/CD, 1 mm Dicke/CD)

16 PB auf Disketten ergäbe eine Fläche von 92 km² ( 2 * Karlsruhe)(1,44 MB/Diskette, 83 cm²/Diskette)

Wie groß ist ein PetaByte?

12.03.2016


Benötigte Zeit für die Übermittlung

1 Megabyte 1 Gigabyte 1 Terabyte 1 Petaybte

ISDN(50 Kilobit/s) 160 Sekunden 2 Tage 6 Jahre 6.000 Jahre

DSL(10 Megabit/s) 0,8 Sekunden 15 Minuten 10 Tage 30 Jahre

1 Gigabit/s 0,01 Sekunde 10 Sekunden 2,5 Stunden 100 Tage

10 Gigabit/s 1 Millisekunde 1 Sekunde 15 Minuten 10 Tage

100 Gigabit/s 0,1 Millisekunde 0,1 Sekunde 1,5 Minuten 1 Tag

12.03.2016

Wie übermittelt man ein PetaByte?

33

Industrie 4.0 und das Internet der Dinge

Industrie 4.0 und Internet of Things (IoT) sind Begriffe, um die

zunehmende Digitalisierung unserer Welt zu beschreiben.

Industrie 4.0 fokussiert auf den Produktionsprozess in einer intelligenten

Fabrik („Smart Factory“), die auf hoch vernetzten und automatisierten

Maschinen basiert und somit eine effiziente Produktion erlaubt .

Das Internet der Dinge fokussiert auf die Nutzung von digitalisierten und

vernetzten Produkten und Geräten, die als Grundlage für neue,

intelligente Services eingesetzt werden können.

Trend: Internet of Everything (IoE)


34

Internet of Things and Services – 3rd Wave


Quelle: Gerhard Lammel,

Bosch Sensortec GmbH

35

Internet of Things – IoT


Hunderte Sensor-Typen

werden benötigt, um die

Informationen zu sammeln,

u.a. in Smart City

Handel und Vertrieb

Versorgungsunternehmen

Smart Agriculture

Versicherungen

Gesundheitswesen

Verkehr und Transport

Industrie

Ausbildung

Fahrzeuge

Datenanalyse kann einen

Gewinn von 60% bis 90%

in der globalen Wirtschaft

bis 2025 generieren.http://res.sys-con.com/session/2611/Joseph_di_Paolantonio_DataArchon.pdf

36

„Das Auto ist mittlerweile ein großer Computer“

Manipulierbarkeit

Korrumpierbarkeit

Datensicherheit

Fahrerassistenz

autonomes Fahren

Rechtliche Fragen

Sensorik im Automobil


Bild: Gerhard Lammel,

Bosch Sensortec GmbH

37

IoT on Gartner‘s Hype Cycle


http://www.gartner.com/technology/research/hype-cycles/

38

Future Computational Systems


SoftBank/Singularity

39

Digitalisierung ist bereits etabliert in …

Automotive Bereich

Crash-Versuche – Simulation meets Reality

Verkehr, Luft- und Raumfahrt

…

Anthropomatik und Robotik

Exo-Skelette, Orthesen

Produktions-, Service-, Medizin-Roboter

…

Medienindustrie

Computer-Animation / -Spiele

Film und Fernsehen

Handel und Warenvertrieb

…


Picture: FOTOLIA, 3ddock

Bild: IAR, KIT

Picture: Lucasfilms

40

Digitalisierung ermöglicht …

Industrie 4.0

Maschinen, Produktionsanlagen, Lagersysteme können selbständig

Informationen austauschen, Aktionen anstoßen und einander steuern

Energieversorgung der Zukunft

Umstellung auf erneuerbare Energien, Installation von Smart Metern

durch Datenanalyse bessere Verbrauchsprognosen, optimierte

Geschäftsprozesse und kundenzentrierte Geschäftsmodelle

Smart Cities

Stadtentwicklung durch die Auswertung von Big Data, verbesserte

Transportkommunikation und „intelligentes“ Verkehrsmanagement

(Personalisierte) Medizin

IT-gesteuerte Medizintechnik, umfassende medizinische Dokumentation

und detailliertes Wissen über das menschliche Erbgut

durch klinische, molekulare und medikamentöse Daten in Echtzeit

effektive Behandlungsoptionen für jeden einzelnen Patienten


41

Digitalisierung bietet …

… Chancen für

Lebens- und Arbeitsweise

Prozesse und Produktion

Versorgung und Services

… birgt aber auch Risiken

Sicherheit und Kontrolle Macht

Information Overload, Müll und Recycling

Computer-Abhängigkeit, Internet-Sucht

Wir benötigen Sicherheit – Verlässlichkeit – Schutz – Vertrauen

für das Individuum, die Gesellschaft und den Staat

Versorgungssysteme (Energie, Mobilität, Information, Gesundheit, Ernährung)

Datensicherheit (Integrität, Datenschutz, Privatheit, Schutz vor Kriminalität)

Cyber Security (sichere Software, Endgeräte, Kommunikation, Systeme)


KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Prof. Dr. Wilfried Juling

www.kit.edu

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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