Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hochleistungsrechner sollen mit Hilfe von neuen Programmiermodellen noch viel schneller werden

nächste Meldung

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.

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. „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, Professor für Programmierung der Universität des Saarlandes und Forscher am Intel Visual Computing Institute der Saar-Uni.

Nach Meinung von Sebastian Hack 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 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 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“, meint Sebastian Hack. Im Visier haben die Forscher dabei vor allem die Compiler, 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 große Industriepartner beteiligt, nämlich der amerikanische Hersteller von Superrechnern, die Firma Cray Computer (Deutschland), das Pharma-Unternehmen Böhringer Ingelheim sowie die Firma RTT, die mit der Raytracing-Technologie hoch auflösende Computergraphik erstellt. Das Forschungsprojekt mit dem Titel „Effiziente und offene Compiler-Umgebung für semantisch annotierte parallele Simulation“ (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.

Fragen beantworten:

Friederike Meyer zu Tittingdorf | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-saarland.de

nächste Meldung

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...