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22.08.2011
Folge 284

Programmieren 2.0

Das Hardware immer leistungsfähige wird ist keine neue Erkenntnis. Das Rechner trotzdem immer noch zu langsam sind liegt an den Programmiermodellen, mit denen die Übersetzungsprogramme heute arbeiten. Moderne Prozessoren haben mehrere Rechenkerne und bei komplexen mathematischen Modellen nimmt man noch die Rechenleistung der Grafikkarte zur Hilfe. Die Compiler, also die Programme die den von Menschen erdachten Programmcode in maschinenlesbare Binärdaten umwandeln sind zwar in der Lage Prozesse so zu zerlegen, dass sie einzelne Abläufe auf verschiedenen Kernen laufen lassen, aber echte optimierte Parallelverarbeitung ist nur dann möglich, wenn der Compiler für genau diese Hardwarekonfiguration speziell entworfen wurde.

Forscher haben sich jetzt auf die Fahne geschrieben, das zu ändern. Im Forschungsprojekt „Effiziente und offene Compiler-Umgebung für semantisch annotierte parallele Simulation“ sollen Hochleistungsrechner mit Hilfe von neuen Programmiermodellen noch viel schneller werden


Heinz Schmitz über die Versuche Programme für Hochleistungsrechner zu optimieren.

Wenn Autobauer einen Crashtest am Computer simulieren oder Klimaforscher weltweite Wetterdaten auswerten, benötigen sie vor allem viel Rechenpower. Dafür werden heute Tausende von Prozessoren auf einer Plattform zusammen geschaltet. Doch wenn viele Computer parallel an einer Aufgabe rechnen, werden sie nicht automatisch schneller, denn häufig ist ihre Software dafür gar nicht ausgelegt. Das Forschungsprojekt ECOUSS hat zum Ziel hat, die neuen parallelen Rechnerarchitekturen viel effizienter als bisher zu nutzen.

Noch vor wenigen Jahren konnte man davon ausgehen, dass Computerprogramme mit jeder neuen Rechnergenerationen schneller wurden. Mit den immer kleineren Prozessoren stieß man jedoch an physikalische Grenzen, so dass die Chipindustrie dazu überging, die Rechner mit mehreren Prozessorkernen auszustatten. Für besonders rechenintensive Aufgaben werden zudem tausende Computer in Hochleistungsnetzwerken zusammengeschlossen. Die Programmiersprachen und Werkzeuge, mit denen die neuen Rechnerarchitekturen programmiert werden, beruhen auf rund vierzig Jahre alten Rechenmodellen. Damals haben die Computer aber noch nicht mehrere Millionen Aufgaben parallel berechnen können.

Nach Meinung der Forscher nutzen die Computerprogramme heute die Möglichkeit der Hardware, viele Probleme gleichzeitig zu bearbeiten, noch viel zu wenig aus. Oftmals entstehen auch Engpässe und Flaschenhälse im System, weil Daten nicht schnell genug aus den zahlreichen Arbeitsspeichern geladen werden oder schon gelöste Aufgaben auf die Weiterbearbeitung warten. Einfach ist das nicht. Stellt man sich zum Beispiel vor, dass Hundert Millionen Rechenaufgaben, die etwa für die Vorhersage eines Hurrikans in Sekundenschnelle gelöst werden müssten.

Die Computersimulation von physikalischen Modellen, die etwa auch der Medizin und Pharmazie wichtige Erkenntnisse bringen, benötigt daher noch viel Handarbeit. So muss die Simulationssoftware immer wieder individuell an die Anforderungen der Hochleistungsrechner angepasst werden. Hier setzt ECOUSS an: Durch neue Methoden und Werkzeuge soll diese Anpassung vereinfacht und zum Teil automatisiert werden. Da die zu lösenden Aufgaben meist sehr komplex sind, werden die Programmierer natürlich nicht ersetzt werden können, aber ihre Arbeit soll erleichtert und beschleunigt werden. Im Visier haben die Forscher dabei vor allem die Compiler, die vom Menschen geschriebene Programme in eine dem Rechner verständliche Sprache übersetzen. Es ist heute nahezu unmöglich, die verfügbare Rechenleistung automatisch auszunutzen. Normalerweise erfordert dass mühsame und kostspielige manuelle Prozesse, dessen Ergebnisse man mit einer neuen Rechnergeneration wieder wegwerfen muss. Genau dieser Prozess soll effizienter gestaltet werden, in dem die Programmierer die richtigen Werkzeuge an die Hand bekommen.

An dem von der Bundesregierung geförderten Forschungsprojekt arbeiten neben der Forschergruppe von Professor Hack, Professor für Programmierung der Universität des Saarlandes auch Wissenschaftler im Team von Computergraphik-Professor Philipp Slusallek am Intel Visual Computing Institute (IVCI) der Universität des Saarlandes und am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) mit. Außerdem sind Forscher der Universität Mainz und des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beteiligt. Die Federführung hat das Höchstleistungsrechenzentrum der Universität Stuttgart (HLRS). Neben den Forschungsinstituten sind Industriepartner beteiligt, wie der amerikanische Hersteller von Superrechnern, die Firma Cray Computer, das Pharma-Unternehmen Böhringer Ingelheim sowie die Firma RTT, die mit der Raytracing-Technologie hoch auflösende Computergraphik erstellt.



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