Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bioinformatik - Softwarefehler in der Computersimulationen und ihre Bekämpfung

24.04.2007
Softwarefehler schleichen sich auch in wissenschaftliche Computersimulationen ein - In Stralsund sichern Forscher ihr Modell durch ein mathematisches Verfahren gegen Laufzeitfehler. Diese zählen zu den häufigsten und gefährlichsten Softwarefehlern - und sie schleichen sich auch in wissenschaftliche Computersimulationen ein. Im Projekt "Modeling chromatin fibers by Monte Carlo procedures and analytical descriptions" der FH Stralsund haben sie jedoch keine Chance: Das mathematische Verfahren der abstrakten Interpretation spürt sie sicher auf.

Im Fachbereich "Elektrotechnik und Informatik" der Fachhochschule Stralsund arbeiten Forscher an dem Projekt "Modeling chromatin fibers by Monte Carlo procedures and analytical descriptions". In Zusammenarbeit mit dem Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg will das Team um Prof. Dr. Gero Wedemann ein Modell der Chromatinfaser entwickeln, mit dessen Hilfe sich die räumliche Organisation und die dynamischen Eigenschaften des Molekülkomplexes beschreiben lassen. Beides ist von Bedeutung bei der Transkription des Erbguts, also der Übertragung des genetischen Codes von der DNA auf die RNA, dem Zwischenschritt auf dem Weg zur Proteinsynthese (der Translation). Von der Erforschung des Chromatins erhoffen sich Mediziner Hinweise auf die Entstehung und Vererbung von Krankheiten.

Ein häufiger Stolperstein solcher Forschungen sind Fehler im Programm, das die Modellberechnungen ausführt. Prof. Dr. Gero Wedemann: "Wissenschaftliche Software wird oft nicht gründlich genug getestet. Dadurch besteht die Gefahr, dass sich Fehler in die Simulation einschleichen und unbemerkt das Modell beeinflussen."

Das Problem: Da es sich zumeist um Grundlagenforschung handelt, liegen nur wenige Vergleichsdaten vor, die zur Beurteilung der Simulationsergebnisse herangezogen werden könnten. Ein Fehler könnte daher - bliebe er unentdeckt - die Forschung der folgenden Jahre in eine falsche Richtung lenken. Deswegen spielen Korrektheit und Fehlerfreiheit von Software in wissenschaftlichen Projekten eine ausschlaggebende Rolle. Die häufigsten und gefährlichsten Softwarefehler sind Laufzeitfehler. Sie machen sich erst bemerkbar, wenn das Programm ausgeführt wird und lassen es zumeist ohne Vorwarnung abstürzen. Die Stralsunder Forscher beugen ihnen durch eine umfangreiche Softwarevalidierung mit zahlreichen Tests und Reviews vor.

Seit neuestem greifen sie dazu sogar auf Mathematik zurück: Das Analysewerkzeug "Polyspace Verifier" der bei München beheimateten Polyspace Technologies GmbH verwendet das Prinzip der "abstrakten Interpretation", um Auftreten und Art von Laufzeitfehlern zu berechnen. - Eigentlich ein Ding der Unmöglichkeit, wie beispielsweise Alan Turing annahm. Der britische Mathematiker trug während des zweiten Weltkriegs maßgeblich dazu bei, den Enigma-Code zu knacken. Mitte der 50er Jahre postulierte er, dass es nicht möglich sei, Laufzeitfehler automatisch vorher zu bestimmen. Sein Argument: Die exakte Menge der möglichen Zustände eines Systems lässt sich nicht berechnen.

Dr. Alain Deutsch, französischer Mathematiker und einer der Gründerväter von Polyspace Technologies, umging dieses Problem jedoch: Je nach Datentyp verfügen Variablen über eine bestimmte Spannweite möglicher Ausprägungen. Der Polyspace Verifier berechnet ausgehend vom Datenfluss des Quellcode, welchen Wertebereich jede Variable zu jedem Zeitpunkt während des Programmablaufs beinhalten kann. Darauf folgend wird für jede mögliche Operation des Programms analysiert, ob nicht erlaubte Zustände (z.B. Division durch Null, Overflow) auftreten können.

Zahlreiche Nachteile dynamischer Softwaretests lassen sich so vermeiden. So kann beispielsweise anhand von Tests nur festgestellt werden, dass ein Laufzeitfehler vorliegt, aber nicht worin er besteht. Auch bleiben viele Fehler unentdeckt, weil die dazu notwendigen Testszenarien nicht ausgeführt wurden oder weil die Fehler auf das erwartete Testergebnis keinen Einfluss hatten. Gegenüber dem weit verbreiteten Faganschen Inspektionsprozess hat die automatisierte Prüfung den Vorteil, dass sie wesentlich schneller abläuft: 400 Zeilen Quellcode überprüft der Verifier in etwa 10 Minuten - dazu benötigen vier Inspektoren nach Fagan jeweils sechs Stunden.

Projektmitarbeiter René Stehr und Prof. Dr. Gero Wedemann sind auf eine schnelle Softwarevalidierung angewiesen, denn der Quellcode der Simulationssoftware wird kontinuierlich um neue Segmente ergänzt. So können zusätzliche Faktoren in die Simulation einbezogen werden. Aktuell arbeitet das Team beispielsweise daran, das elektrische Potenzial der DNA in die Modellberechnung zu integrieren. "Alle vier bis sechs Wochen ist ein neuer Softwarecheck fällig", betont Prof. Dr. Gero Wedemann, "denn sowohl die neuen Code-Elemente als auch deren Auswirkungen auf den Gesamtcode müssen erneut überprüft werden, bevor eine neue Simulation gestartet werden kann." Bei Modellberechnungszeiten von mehreren Wochen würde ein Softwarefehler das Projekt um Monate zurückwerfen.

Erste Erfolge kann das Projektteam bereits vorweisen: Anhand des Modells ist es gelungen, fünf Eigenschaften der Chromatinfaser zu erklären. So können bereits Aussagen zum Durchmesser der Fiber, zu ihrer Massenbelegungsdichte, zur Orientierung von DNA und Nukleosomen zur Fiberachse und zur Flexibilität der Faser getroffen werden. "Damit liegen wir weltweit vor anderen Forschungsprojekten, die bis jetzt vielleicht zwei oder drei Charakteristika erklären können", so Prof. Dr. Wedemann.

Ansprechpartner:
Fachhochschule Stralsund
Prof. Dr. Gero Wedemann; Rene Stehr
Tel. 03831/457051
E-Mail: gero.Wedemann@fh-stralsund.de
PolySpace Technologies GmbH
Rudolf Frommknecht, Geschäftsführer
Tel. 08153/907220
E-Mail: rudolf.frommknecht@polyspace.com

Dr. Rudi | idw
Weitere Informationen:
http://www.polyspace.com
http://www.user.fh-stralsund.de/~gwede

Weitere Berichte zu: Computersimulationen Laufzeitfehler Polyspace Softwarefehler

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer
14.08.2018 | Institute of Science and Technology Austria

nachricht Sicherheitslücken im Internetprotokoll „IPsec“ identifiziert
14.08.2018 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Im Focus: Der Roboter als „Tankwart“: TU Graz entwickelt robotergesteuertes Schnellladesystem für E-Fahrzeuge

Eine Weltneuheit präsentieren Forschende der TU Graz gemeinsam mit Industriepartnern: Den Prototypen eines robotergesteuerten CCS-Schnellladesystems für Elektrofahrzeuge, das erstmals auch das serielle Laden von Fahrzeugen in unterschiedlichen Parkpositionen ermöglicht.

Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden weltweit hohe Wachstumsraten prognostiziert: 2025, so die Prognosen, wird es jährlich bereits 25 Millionen...

Im Focus: Robots as 'pump attendants': TU Graz develops robot-controlled rapid charging system for e-vehicles

Researchers from TU Graz and their industry partners have unveiled a world first: the prototype of a robot-controlled, high-speed combined charging system (CCS) for electric vehicles that enables series charging of cars in various parking positions.

Global demand for electric vehicles is forecast to rise sharply: by 2025, the number of new vehicle registrations is expected to reach 25 million per year....

Im Focus: Der „TRiC” bei der Aktinfaltung

Damit Proteine ihre Aufgaben in Zellen wahrnehmen können, müssen sie richtig gefaltet sein. Molekulare Assistenten, sogenannte Chaperone, unterstützen Proteine dabei, sich in ihre funktionsfähige, dreidimensionale Struktur zu falten. Während die meisten Proteine sich bis zu einem bestimmten Grad ohne Hilfe falten können, haben Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie nun gezeigt, dass Aktin komplett von den Chaperonen abhängig ist. Aktin ist das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen. Das Chaperon TRiC wendet einen bislang noch nicht beschriebenen Mechanismus für die Proteinfaltung an. Die Studie wurde im Fachfachjournal Cell publiziert.

Bei Aktin handelt es sich um das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen, das bei Prozessen wie Zellstabilisation, Zellteilung und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

EEA-ESEM Konferenz findet an der Uni Köln statt

13.08.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung in der chemischen Industrie

09.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kleine Helfer bei der Zellreinigung

14.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Oberflächeneigenschaften für holzbasierte Werkstoffe

14.08.2018 | Materialwissenschaften

Fraunhofer IPT unterstützt Zweitplatzierten bei SpaceX-Wettbewerb

14.08.2018 | Förderungen Preise

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics