parMERASA: Software-Parallelisierung für Mehrkernprozessoren

Autos und Flugzeuge energiesparsamer, wirtschaftlicher und zugleich sicherer zu machen – das ist die Leitperspektive des EU-Projekts „Multi-Core Execution of Parallelised Hard Real-Time Applications Supporting Analysability“ (parMERASA), das – auf drei Jahre angelegte und von der EU mit 3,3 Millionen Euro gefördert – am 1. Oktober 2011 offiziell startete. Koordiniert wird dieses Projekt von dem Augsburger Informatiker Prof. Dr. Theo Ungerer (Lehrstuhl für Systemnahe Informatik und Kommunikationssysteme an der Universität Augsburg).

Wie kann man Autos, Flugzeuge und generell Maschinen sichererer, wirtschaftlicher und energiesparsamer machen? Fahrerassistenzsysteme in Autos z. B. könnten im Prinzip durch eine Steigerung der Leistungsfähigkeit ihrer elektronischen Steuereinheit noch sicherer werden. Und auch der Kraftstoffverbrauch von Motoren könnte eigentlich mit Hilfe von Steuereinheiten höherer Leistungsfähigkeit weiter optimiert werden. Das Problem: Für all diese Systeme gilt, dass die Ausführung ihrer Aufgaben in einem extrem kurzen und insbesondere in einem festen Zeitintervall gewährleistet sein muss. Man spricht hier von „harten Echtzeitanforderungen“, denen diese Systeme genügen müssen.

Die Software und die Softwarewerkzeuge für solche Anforderungen sind heute auf sequentiell ausgeführte Programme zugeschnitten. Eine erhebliche Leistungssteigerung wäre jedoch möglich, wenn diese Programme parallelisiert und auf einem geeigneten Mehrkernprozessor ausgeführt werden könnten. Mehrkernprozessoren zeichnen sich dadurch aus, dass mehrere Prozessoren – Kerne genannt – auf einem Chip integriert werden. Auf Mehrkernprozessoren können aufwändigere Regelungsalgorithmen eingesetzt werden, die zur Erfüllung der genannten Echtzeitanforderungen beitragen können, sofern die Ausführung der Programme im vorgegebenen Zeitintervall weiterhin garantiert bleibt.

Entwicklung paralleler Programme, die harten Echtzeitanforderungen genügen

Der Anspruch des EU-Projekts parMERASA ist es, gemeinsam mit Anwenderfirmen aus den Bereichen der Flugzeugelektronik, der Automobiltechnologie und der Baumaschinen industrielle Echtzeitprogramme auf ihre mögliche Leistungssteigerung durch geeignete Parallelisierung zu untersuchen. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage: Wie kommt man von einem sequentiellen zu einem parallelen Echtzeitprogramm, das trotz der gleichzeitigen Ausführung der parallelen Kontrollfäden auf einem Mehrkernprozessor noch Echtzeitanforderungen genügt? Um eine Antwort auf diese Frage zu finden, muss ein entsprechender Softwareentwurfsprozess entwickelt werden, müssen geeignete parallele Softwarestrukturen gefunden, Analysewerkzeuge und Systemsoftware bereitgestellt und Hardware-Strukturen auf ihre Eignung untersucht werden.

Von MERASA zu parMERASA

An eine Umsetzung dieser ehrgeizigen Ziele des parMERASA-Projekts wäre nicht zu denken, wenn nicht auf den Ergebnissen des mit weitgehend denselben Partnern erfolgreich bearbeiteten Vorgängerprojekts MERASA aufgebaut werden könnte. Dieses Vorgängerprojekt, das von der EU von 2007 bis 2010 mit 2,1 Millionen Euro gefördert und ebenfalls von Prof. Ungerer koordiniert wurde, konzentrierte sich darauf, echtzeitfähige Mehrkernprozessoren mit zwei bis acht Kernen zu entwickeln, also in einer Größenordnung, in der Kerne heute bereits in Allzweckprozessoren für PCs und Server eingesetzt werden. Im parMERASA-Nachfolgeprojekt sollen nun Mehrkernprozessoren mit bis zu 64 Kernen und mit anderen, neuen Verbindungsstrukturen untersucht werden. Zugleich wird der Schwerpunk der Forschungs- und Entwicklungsarbeit von der Hardwareentwicklung in Richtung Anwenderprogramme und deren Parallelisierung sowie auf die Unterstützung durch Systemsoftware verlegt.

Von den Firmen Honeywell International s.r.o. in Brünn (Tschechien), DENSO Automotive Deutschland GmbH in München und BAUER Maschinen GmbH in Schrobenhausen wird mit diesen Zielsetzungen und in Kooperation mit den Universitäten Augsburg und Dortmund und mit dem Barcelona Supercomputing Center die Parallelisierung von industriellen Echtzeitprogrammen in den Bereichen der Flugzeugelektronik, der Automobiltechnik und der Baumaschinen untersucht, und es werden prototypische parallele Programme entwickelt, die dann auf einem simulierten 64 Kern-Prozessor ausgeführt werden. Von den beteiligten Augsburger Informatikern wird zudem am Entwurf einer entsprechenden echtzeitfähigen Betriebssystem-Software gearbeitet.

Um Echtzeitfähigkeit gewährleisten zu können, benötigt man Software-Werkzeuge, die für ein Programm diejenige Verarbeitungszeit errechnen können, die im schlimmsten Fall auftreten kann. Solche Software-Werkzeuge werden im parMERASA-Verbund von Forschern der Universität Paul Sabatier in Toulouse und von der englischen Firma Rapita Systems Ltd. bereitgestellt werden. „Nicht zuletzt aufgrund unserer bisherigen erfolgreichen Zusammenarbeit unter dem Dach des Vorgänger-Projekts MERASA sind wir überzeugt davon, dass es uns in den kommenden drei Jahren gelingen wird, auf der Basis eines wesentlich vertieften Verständnisses der Parallelisierung von Echtzeitprogrammen für den Automobil-, den Flugzeug- und den Maschinenbau Software-Werkzeuge zu entwickeln, die passgenau auf die für diese Bereiche spezifischen Anforderungen der Programmanalyse harter Echtzeitanwendungen zugeschnitten sein werden“, so der parMERASA-Koordinator Ungerer.

Von Anfang an mit im Boot: Anwender und Prozessorhersteller

Um einen optimalen Transfer- und Anwendungsprozess sicherzustellen sind neben den drei kooperierenden Universitäten und dem Barcelona Supercomputing Center nicht nur vier Industriepartner – in Form dreier Anwender und eines einschlägigen Software-Werkzeugherstellers – auf der Liste der an parMERASA Mitwirkenden.Vielmehr sind über ein Industrial Advisory Board auch Experten des Prozessorherstellers Infineon Technologies (München und Bristol) sowie der Anwenderfirmen Airbus S.A.S. (Toulouse), European Space Agency ESA (Noordwijk, Niederlande), BMW Group (München), Elektrobit Automotive GmbH (München, Erlangen) und Mecel AB (Schweden) in das Projekt mit eingebunden. „Diese Integration renommierter Firmen aus verschiedenen europäischen Staaten dokumentiert“, wie Ungerer betont, „unseren mit parMERASA verbundenen Anspruch, in den Schlüsselsparten der Fahrzeug-, Flugzeug- und Maschinenbauindustrie einen wichtigen Beitrag zur zukünftigen Wettbewerbsfähigkeit Europas zu leisten.“

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Theo Ungerer
Institut für Informatik der Universität Augsburg
Universitätsstraße 6a
86159 Augsburg,
Telefon 0821/598-2350
theo.ungerer@informatik.uni-augsburg.de