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
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
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).
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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
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Analoges Fernsprechen – Wer erinnert sich?
Fernsprechtischapparat 1961
„FeTAp 611“
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Wähler 1948
„W 48“
Quelle: http://www.kahlhans.de/telefonseite/galerie/
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Übertragungssystem: Beispiel Fernsprechnetz
Quelle SenkeUmformer RückformerPhysikalisches Medium
Primärsignal Übertragungssignal
Lautsprecher
Primärsignal
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Primärsignal (hier akustisch) wird durch Umformer in ein elektrisches
(hier analoges oder digitales) Signal umgewandelt.
Das Übertragungssignal kann elektrisch oder auch optisch sein.
Mikrofon
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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
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8
Periodische und digitale Signale
Sinus-SchwingungPeriode T, Frequenz 1/T, Amplitude S(t)
T
t
S(t)
t
T
S(t)
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Rechteck-Schwingung(zeitdiskret „idealisiert“)
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Ray Tomlinson ( 5. März 2016)
Erfinder der E-Mail – 1971
Rechner-Rechner-Nachricht
W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?12.03.2016
Subject: Wilkommen in CSNET!
From: Laura Breeden breeden%csnet-
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)
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Ethernet – Lokale Vernetzung
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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
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„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
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Trend: Mobile Kommunikation
12.03.2016
anybody, anytime, anywhere
13 W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?
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
14 W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?
Entwicklungstrends in der Übersicht
12.03.2016
Quelle: Institut für Telematik, KIT
15 W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?
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
16 W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?
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
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Herausforderungen „der heutigen Zeit“
Mobilität ‚always be connected‘
Verfügbarkeit zu jeder Zeit, an jedem Ort
Usability einfach, flexibel, personalisiert
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… Wolkig!
Clouds
Social Media
Apps
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Clouds
Chancen
Flexibilität
Dynamische
Bedarfsanpassung
Skalierbarkeit
Wirtschaftlichkeit
Risiken
Verlässlichkeit
Datensicherheit
Rechtssicherheit
Datenschutz
Abhängigkeit
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Lösungen
trusted cloud
private cloud
Differenzierung provider
Bildquelle: Wikipedia
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Social Media
Chancen
Vernetzung
soziale Interaktion
Partizipation
Aktualität
Risiken
Qualität
Relevanz
social commerce
(Profiling etc.)
shitstorm
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Lösungen
Sensibilisierung
Verhaltensempfehlungen
Monitoring
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Apps
Chancen
mobil
flexibel
preiswert
feingranular
nutzungsgerecht
Risiken
Qualität
Relevanz
Sicherheit (unerprobte SW)
bring-your-own-device-
Nutzung
Rechtskonformität
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Lösungen
in-house-Angebote und -Betriebskonzepte
Richtlinien und Regelungen
Qualitätsmonitoring
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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.
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Quelle (2013): IBM, Experton Group
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Big Data - verschiedene Sichtweisen
Informationsflut, Datenverwertung
Integrität, Sicherheit, Sensitivität, Vertrauen
Umfang der Daten (Bits und Bytes)
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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.
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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
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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
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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!
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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
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Quelle: A. Streit (SCC, KIT), U. Liebel (IAI, KIT)
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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.“
W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?12.03.2016
Quelle: Rauchhaupt (FAZ)
28 W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?
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)
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Large Hadron Collider (LHC)
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Source: CERN
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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
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Auswertung der LHC-Daten
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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
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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
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Wie übermittelt man ein PetaByte?
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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)
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Internet of Things and Services – 3rd Wave
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Quelle: Gerhard Lammel,
Bosch Sensortec GmbH
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Internet of Things – IoT
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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
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„Das Auto ist mittlerweile ein großer Computer“
Manipulierbarkeit
Korrumpierbarkeit
Datensicherheit
Fahrerassistenz
autonomes Fahren
Rechtliche Fragen
Sensorik im Automobil
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Bild: Gerhard Lammel,
Bosch Sensortec GmbH
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IoT on Gartner‘s Hype Cycle
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http://www.gartner.com/technology/research/hype-cycles/
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Future Computational Systems
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SoftBank/Singularity
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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
…
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Picture: FOTOLIA, 3ddock
Bild: IAR, KIT
Picture: Lucasfilms
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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
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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)
W. Juling | Digitalisierung heute – eine technische Revolution oder doch nur eine technologische Evolution?12.03.2016
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
Prof. Dr. Wilfried Juling
www.kit.edu
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!