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Hochleistungsrechner mithilfe von neuen Programmiermodellen beschleunigen

Das Ziel, neue parallele Rechnerarchitekturen effizienter als bisher zu nutzen, hat das Forschungsprojekt Ecouss. Ecouss steht für "Effiziente und offene Compiler-Umgebung für semantisch annotierte parallele Simulation" und wird mit 1,69 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Am Projekt beteiligt sind auch die Institute der Informatikforschung der Universität des Saarlandes.

Bei der Simulation von Automodellen entstehen riesige Datenmengen, die von Hochleistungsrechnern verarbeitet werden müssen, weiß die Hochschule. Heutzutage würden dafür Tausende von Prozessoren auf einer Plattform zusammen geschaltet. Doch rechnen viele Computer parallel an einer Aufgabe, werden sie nicht automatisch schneller, weiß die Universität. Häufig sei ihre Software dafür gar nicht ausgelegt. "Das Problem dabei ist, dass die Programmiersprachen und Werkzeuge, mit denen wir die neuen Rechnerarchitekturen programmieren, auf rund vierzig Jahre alten Rechenmodellen beruhen. Damals haben die Computer aber noch nicht mehrere Millionen Aufgaben parallel berechnen können", erklärt Sebastian Hack (Bild), Professor für Programmierung der Universität des Saarlandes und Forscher am "Intel Visual Computing Institute" der Saar-Uni.

Nach Hacks Meinung nutzen die Computerprogramme heute die Möglichkeit der Hardware, viele Probleme gleichzeitig zu bearbeiten, noch viel zu wenig aus. Oftmals entstünden 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. "Man stelle sich vor, ein Kochrezept wird nicht nur von einem Koch befolgt, sondern soll gleichzeitig von zehn Köchen in einer Küche umgesetzt werden. Da muss auch erst geklärt werden, wer welchen Kochtopf benutzen darf und ob die Vorräte für alle ausreichen", vergleicht der Informatiker. Bei zehn Arbeitsschritten eines Kochrezeptes ginge das noch einfach, nicht aber bei Hundert Millionen Rechenaufgaben.

Die Computersimulation von physikalischen Modellen benötigt daher noch viel Handarbeit. So muss die Simulationssoftware immer wieder individuell an die Anforderungen der Hochleistungsrechner angepasst werden. "Hier setzt unser Forschungsprojekt an: Wir wollen durch neue Methoden und Werkzeuge diese Anpassung vereinfachen und zum Teil automatisieren. Da die zu lösenden Aufgaben meist sehr komplex sind, werden wir den Programmierer nicht ersetzen können, wir werden aber seine Arbeit erleichtern und beschleunigen können", ist Hack überzeugt. Im Visier sollen die Forscher dabei vor allem die Compiler haben, die vom Menschen geschriebene Programme in eine dem Rechner verständliche Sprache übersetzen. "Es ist nahezu unmöglich, die verfügbare Rechenleistung automatisch auszunutzen. Das erfordert normalerweise einen mühsamen und kostspieligen manuellen Prozess, dessen Ergebnisse man mit einer neuen Rechnergeneration wieder wegwerfen muss. Genau diesen Prozess wollen wir effizienter gestalten, in dem wir dem Programmierer die richtigen Werkzeuge an die Hand geben", erläutert der Informatiker.

An dem von der Bundesregierung geförderten Forschungsprojekt arbeiten neben der Forschergruppe von Professor Hack 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 außerdem mehrere Industriepartner beteiligt. Ecouss ist auf drei Jahre angelegt und wird mit 1,69 Millionen Euro vom Bundesforschungsministerium gefördert. Rund 600.000 Euro davon fließen an das IVCI der Universität des Saarlandes und weitere 400.000 Euro an das DFKI in Saarbrücken.
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