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12.05.2008
Folge 108

Massiv paralleles Rechnen (1) - Suprenum

Es ist zur guten Tradition geworden, dass der CCZwei an Montagen, die ein Feiertag sind, eine Sondersendung zu einem monothematischen Thema ausgestrahlt wird. Heute, am Pfingstmontag 2008 ist es anspruchsvolles Thema. Massiv paralleles Rechnen ist nicht gerade ein Kinderspiel und so bleibt es unserem Studiogast unbenommen, die Begriffe einmal ausführlich zu erklären.
Mit Professor Trottenberg konnten wir einen Wissenschaftler gewinnen, der in dieser Thematik einmal voll verwurzelt war. Zusammen mit Prof. Wolfgang Gilois entwickelte er den zeitweise schnellsten Computer der Welt, der aus Deutschen Forschungsmitteln in den achtziger Jahren entstand. Dieser Computer, der den treffenden Namen SUPRENUM, was ausgeschrieben so viel heißt wie Superrechner für numerische Probleme.



Die Problematik des Parallelen Rechnens wurde auch schon an anderen Stellen angegangen. Die Connection Machine stellte einen solchen Rechner dar. Um uns in die Materie einzulesen, soll diese Maschine beschrieben werden, um später das Besondere der Suprenum zu verstehen.

Das Konzept der Connection Machine stammt von Danny Hillis vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Zusammen mit Sheryl Handler gründete er 1983 das Unternehmen Thinking Machines, die Entwicklung der Rechner wurde durch Venture-Kapital und das amerikanische Verteidigungsministerium (DARPA) finanziert und später durch das Programm High Performance Computing and Communication (HPCC) gefördert. Im August 1993 musste Thinking Machines Insolvenz nach Chapter 11 anmelden. Auch diese Maschine schaffte es nicht in die kommerzielle Welt.
Die erste Connection Machine war ebenso ein ein massiv paralleles System mit bis zu 65536 1-Bit Prozessoren. Jeder Prozessor konnte mit 20 anderen über ein Hypercube Verbindungsnetzwerk direkt kommunizieren. Die Prozessorknoten verfügten über eigenen Hauptspeicher und arbeiteten zunächst nach dem SIMD-Prinzip.
Die CM-1 (1983) war vorwiegend zur Lösung von Problemen aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz konzipiert. Deswegen wurde *Lisp (auch Star Lisp, eine parallele Variante von Common Lisp) zur Programmierung verwendet. Mit der CM-2 (1987) wurde die Connection Machine auch für numerische Verfahren interessant, je 32 Prozessorknoten teilten sich einen Koprozessor (Weitek 3132). Zusammen erbrachten die Prozessorknoten eine Leistung bis 9 GFLOP (theoretisch 20 GFLOP). Die CM-2a war eine kleinere Variante mit 4096 bzw. 8192 Prozessoren, die CM-200 war eine Weiterentwicklung der CM-2.
Ein Wechsel der Rechnerarchitektur in Richtung MIMD erfolgte dann 1991 mit der CM-5. Sie bestand aus einem Fat Tree Verbindungsnetzwerk von SPARC-Prozessoren. Bei der CM-5E wurden die SPARC-Prozessoren schließlich durch SuperSPARC-Prozessoren ersetzt.


Eine Connection Machine

Die Connection Machine fiel auch durch ihr Design auf. Das Gehäuse war ein großer Block, meist würfelförmig. An der Vorderseite befanden sich Gruppen von roten Leuchtdioden; für jeden Prozessor stand eine Leuchtdiode. Das Blinken der Leuchtdioden signalisierte die Aktivität der einzelnen Prozessorknoten. Die Lichtreihen der CM-1 können im Film WarGames (1983) betrachtet werden. (WOPR-Computer des NORAD). Eine CM-5 sieht man im Film Jurassic Park (1993).



Massiv paralleles Rechnen (2) - Suprenum

Eine neue Idee hat meistens mehrere Väter. So ist aus der Suprenum Entwicklung Prof. Giloi nicht wegzudenken, der viele Impulse für die neue Rechnerarchitektur lieferte.


Prof. Wolfgang Giloi


Prof. Wolfgang Giloi war von Anfang an bei der Entwicklung des schnellsten Rechners der Welt dabei. Als einer der ersten in Deutschland lernte er als Student der Nachrichtentechnik in den fünfziger Jahren, wie man Computer programmiert. Damals mußte er dem „Steuerwerk" und dem „Rechenwerk" (heute heißt das „CPU") detailliert mitteilen, wie mit all den Nullen und Einsen im Speicher zu verfahren sei.
Nach seiner Promotion im Jahre 1960 ging Giloi zu Telefunken in Konstanz. Die Firma baute Analogrechner: Solche Apparate stellten Daten und Rechenprozesse nicht wie die Digitalrechner durch Folgen von Nullen und Einsen dar, sondern durch gleitende, eben analoge, physikalische Größen wie zum Beispiel Stromspannung und -stärke. Dazu dienten damals Elektronenröhren. Giloi hatte es jedoch die neuartige Transistortechnik angetan, und bald baute das Konstanzer Team den ersten transistorisierten Analogrechner der Welt, den RAT-700.


Der erste Analogrechner der Welt, der RAT700

Bei Telefunken lernte Giloi den Computererfinder Konrad Zuse kennen. Die beiden Ingenieure schraubten einen Rechner zusammen, in dem sich analoge und digitale Bauteile die Arbeit teilten, und fertig war der erste „Hybridrechner" der Welt.

An der Zuse Maschine, die er mit entwickelte, hatte auch ich großes Interesse. Es war die Z22, ein Erfolgsmodell. Dieser Rechner stand ziemlich aqbgewrackt im Keller des Instituts für Nachrichtentechnik an der RWTH Aaachen. Mich interessierten damals die schönen Röhren mit Bügel, die man als Student gut als Mobile ins Fenster hängen konnte. Ich war nicht der Einzige, der sich soetwas mit nach Hause nahm. Hoffentlich ist die Tat verjährt.

Das muß eine rauschhafte Zeit für den jungen Mann gewesen sein. 1965 wurde er Professor an der TU Berlin. Damals war er erst 34 Jahre alt. Fast skandalös jung zu jener Zeit, denn die meisten Professoren mit Lehrstuhl hatten das 60. Lebensjahr überschritten.
In der Informatik gibt es zwei Wege zur Erleuchtung: den Weg des Geistes oder den des Lötkolbens. Der theoretische Weg führt über die Mathematik, der technische Weg über die „Hardware", den physischen Apparat des Rechners.
Giloi hatte den letzteren gewählt. Aber ohne Theorie ging jetzt auch nichts mehr, aber er vergaß nie; „Die, Elektronik hat mich immer fasziniert", sagt er. Schon als Schüler bastelte er Radios, Sender und Oszilloskope, „alles im Eigenbau". , , .

„Das Kosmopolitische liegt bei uns wohl in den Genen", sagt Giloi. Eine Zeitlang war er auch amerikanischer Staatsbürger, und das kam so: Im Wintersemester 1968/69 studierte er am weltberühmten Massachusetts Institute of Technology (MET). Er war mit neuen Ideen nach Berlin zurückgekehrt, wollte Informatik lehren und Rechner bauen.

Die hochschulpolilischen Kämpfe, die statt dessen auf der Berliner Tagesordnung standen, empfand er nur als lästig; ihn faszinierte die amerikanische Computerrevolution, nicht die deutsche Hochschulrevolte. So ging es uns allen, die an einer Technischen Hochschule studierten. In punkto 68er Revolte w3ar nicht viel los. Anfang 1971 zog Giloi daher mit seiner Familie in die USA, den Streit zwischen links und rechts, Jung und Alt, Mathematikern und Technikern hinter sich lassend. Bald erwarb er die amerikanische Staatsbürgerschaft. Der Hardware-Spezialist kam auf neue Ideen, als in den siebziger Jahren die Mikroprozessoren auf den Markt kamen, ziemlich kleine und billige CPUs. Er dachte daran, nicht hur einen solcher Prozessoren pro Computer zu benützen, sondern deren viele: in Parallelrechnern. Im herkömmlichen Computer müht sich ein Prozessor (heute bereits mit mehreren Kernen) ab, um nacheinander die Befehle des Programms zu befolgen. Im Parallelrechner hingegen arbeiten eine Vielzahl elektronischer „Arbeitskräfte"; die Schwierigkeit und die Kunst bestehen darin, diese Arbeit zu koordinieren. Giloi war mit derartigen Problemen vertraut, denn schon in den Analögrechnern aus seligen Telefunken-Zeiten schalteten Hunderte Bauteile gleichzeitig. Jetzt juckte es.ihn in den Fingern, digitale Parallelrechner zu bauen.

Diese Chance wurde ihm 1978 Von der TU Berlin geboten, und so kehrte er zurück und wurde wieder Deutseher. Fünf Jahre später konnte er sich als Direktor des Forschungszentrums für Innovative Rechnersysteme und -technologie (FIRST) ganz dem avantgardistischen Computerbau widmen.

Er ahnte nicht, daß damit ein Kapitel deutscher Technikgeschichte begann, das ihn bis heute deprimiert, die Geschichte von Suprenum. Damals kamen der  Mathematiker Ulrich Trottenberg und Giloi zusammen. Trottenberg  entwickelte 1984 im Auftrag der Gesellschaft für Mathematik und Datenverarbeitung (GMD) und des Bundesforschungsministers ein Konzept für paralleles Computerrechnen und fragte Giloi, ob er die passende Maschine entwerfen wolle. Giloi war begeistert, und 1985 wurde seine Architektur für Suprenum akzeptiert.

Er war Praktiker genug, sich für die Entwicklung der nötigen Programme einzusetzen, ohne die ein Supsrrechner zwar interessant, aber unnütz ist. Giloi hatte die notwendigen Kontakte zur Industrie, besonders zu Chip-Herstellern in den USA, er reiste umher, prüfte und kaufte Bauteile, und 1989 war Suprenum fertig — der erste parallele Superrechner aus Europa. Er hätte die Krönung von Gilois Lebenswerk sein sollen.

Sein Betriebssystem Peace war ein Welterfolg. Trotzdem wurden nur vier Maschinen ausgeliefert, die Arbeit an Suprenum wurde eingestellt. Suprenums Leistung wurde erst im Frühjahr 1991 von einem amerikanischen Rechner übertroffen.

Leider hat sich das unterstützende Ministerium völlig aus der zukünftigen Finanzierung herausgehalten, so dass Anfang der 1990 er Jahre die Fa. Suprenum liquidiert wurde.


Massiv paralleles Rechnen (3) - Suprenum

Es ist gar nicht so einfach, das Problem der "massiv parallelen Technologie" nahe zu bringen. In der Literatur findet man häufig einen Vergleich mit der Autoindustrie. Am Anfang konnte man sich noch vorstellen, dass ein einziger Mensch ein Auto von Anfang bis Ende selbst entwickeln und realisieren konnte. So war es wohl bei dem Erfinder Carl Benz, als er im vergangenenen Jahrtausend das erste Automobil erschuf. Es gab eben keine Automobilinfrastruktur, keine auf Autos spezialisierte Straßen und gar das Benzin musste er sich aus der Apotheke besorgen.


Das erste Auto von Dr. Carl Benz, Selbstgebaut

Schon der Amerikaner Henry Ford, der später sogar als „Der Unternehmer des Jahrhunderts” bezeichnet wurde, erkannte, dass der Gesamtkomplex "Autobau" sich aus vielen kleinen Prozessen zusammensetzte. Wenn diese Prozesse von mehreren spezialisierten Personen ausgeführt werden, so erlangen wir eine höhere Effizienz Im Bau und damit wird das Produkt auch erschwinglicher. Die Prozesse kann man als massiv parallel bezeichnen.
Dank der innovativen Ideen von Henry Ford wurde das Auto für jedermann erschwinglich. Am 30. Juli 1863 in Dearborn, Michigan, geboren, interessierte er sich schon als Kind für Technik, wurde Maschinist und später leitender Ingenieur bei der „Edison Illuminating Company“ in Detroit.
Nachdem Ford bereits 1892 und 1896 Automobile konstruierte, gründete er 1903 die „Ford Motor Company“ und baute hier ab 1908 die berühmte „Tin Lizzie“, von der bis 1927 über 15 Millionen Exemplare entstanden.

Nun hat das Problem mit massiv parallelen Strukturen schon seine eigenen Gesetze, wenn es um die Datenverarbeitung geht und doch ist es in etwa vergleichbar. Auch in der Informatik versucht man einen Gesamtkomplex in viele kleine Unterprozesse zu zerlegen. Für die Lösung eines Unterprozesses stellt man einen eigenen Prozessor zur Lösung zur Verfügung. Nach Ende der Rechenarbeit werden die Einzelergebnisse zu einem Ganzen zusammengefügt. Das klingt wahrscheinlich leichter, als es in Wirklichkeit ist.
Es mussten neue Ansätze gefunden werden. Vor allem das parallele Programmieren machte große Schwierigkeiten, denn das parallele Denken des Menschen ist sehr beschränkt, obwohl das Gehirn mit zu den effektivsten massiven Parallelstrukturren gehört.

Ende der 80er Jahre, als Suprenum das Licht der Welt erblickte, hatte ich noch keinen Draht zu den Problemen, die sich damals aufstauten. Seit ein paar Jahren jedoch interessierte mich die Entwicklung. Zum Teil auch aus einem ganz persönlichen Verhältnis zur Suprenum. Mir wurde nämlich eine Hauptplatine eines der vier ausgelieferten Rechner verehrt. Sie ziert meine Ausganstür und ich denke oft an die Zeit zurück, in der so tolle Maschinen entstanden. Die Platine ist eine Augenweide. Für mich sind die regelmäßigen Strukturen und die Farbschattierungen aüßert ästhetisch anzusehen. Das Bild kann nur einen kleinen Eindruck von der Ästhetik vermitteln, zumal die Platine auch noch in einem Acrylkasten fotografiert wurde.



Die Rückseite der Hauptplatine ist ebenso schön anzuschauen.



Die weißen Linien sind der Schreck eines jeden Entwicklers. Wenn das Layout fertig ist, dann weiß jeder aus der Branche, dass bei dieser Komplexität irgendetwas später noch geändert werden muss. Es handelt sich hier um dünne weisse Drähte, die irgendwelche Verbindungen reparierten. Aber so ordentlich rechteckig verlegt, wie es mir selbst noch nie gelungen ist.


Die Weitek Prozessoren

Der Aufbau der Platine entspricht der Zeit um 1987. Natürlich hat sich in der Zwischenzeit viel getan. Die Suprenum leistete immerhin 2 Megaflop, das war für wenige Monate das schnellste Rechnerbenchmark der Welt. Man darf es gar nicht sagen, wo wir heute gelandet sind. In den nächsten paar Wochen erwartet man die Vorstellung eines Petaflop Rechners. das entspäche dann einer Zahl 10 hoch 15. Unglaublich.


Prof. Ulrich Trottenberg bei uns im CCZwei Studio


Massiv paralleles Rechnen (4) - Suprenum

Im Vorgespräch stellten wir beide fest, dass uns die Sorge um den deutschen wissenschaftlichen Nachwuch sehr viel Sorge bereitet. Die naturwissenschaftlichen Fächer werden von den jungen Leuten nicht so sehr geliebt. Das kann eigentlich nur an einer falschen Schulausbildung liegen, denn unsere Interessen damals für die Technik war doch nicht anerzogen. Sie entwickelte sich, weil wir durch guten Unterricht Motivationen erhielten.


Prof. Ulrich Trottenberg bei uns im CCZwei Studio

In Deutschland werden wohl um die 100.000 Naturwissenschaftler gesucht. In der Sendung haben wir nochmaqls erwähnt, dass die Ausrichtung zur Mathematik, zur Physik sehr viel Spaß machen kann, weil man mit dem Hintergrundwissen die Welt einfach besser versteht. Für mich ist es immer eine wahre Freude, wenn ich in den alten alexandrinischen Erfindungen herumstöbere und dort die tollsten Entwicklungen finde. So ist die Leistung von Eratosthenes 200 vor Christus als immens und einfach genial anzusehen, dass er eine einfache Methode entwickelte, um den Erdumfang ziemlich genau zu bestimmen. Er war es auch, der sich damals schon mit Primzahlen beschäftigte und einen Algorithmus fand, um sie zu bestimmen. Das Sieb des Eratosthenes ging in die Geschichte ein.

Solche Köpfe haben die Welt verändert, weil sie durch klare Gedanken ihre Umwelt sezierten und weitreichende Schlüsse zogen. Auch die Entwicklung der Suprenum war ein Versuch, die Welt zu verändern. Auch wenn das Projekt auf der Strecke blieb, so gibt es doch eine Geschichte,, die wertvolle Impulse für die Zukunft brachte. 200 Millionen DM mit dem Projekt in den Sand gesetzt zu haben, das ist schon ärgerlich. Doch wenn man alle positiven Impulse zusammenzählt, die auch auf die Mitarbeiter während der spannenden Entwicklungszeit positiv wirkten, dann hat sich die Anstrengung bezahlt gemacht. Und außerdem sind 200 Millionen Mark ja nur 100 Millionen Euro.

Ich bedanke mich noch einmal auf diesem Weg bei Prof. Trottenberg, der uns eine so interessante Sendung lieferte. Es war ein Rückblick mit Einblicken in Entwicklungen, die man nirgendwo so nachlesen kann. Die Sendung lief dann ohne Schnitt und ohne "ä" 1:1 aufs Band. Sein Kommentar nach der Sendung: "Das hätte ich nicht gedacht, dass man so lange reden kann; ich hätte noch eine Stunde weitermachen können.


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