Die EU f枚rdert einen innovativen Ansatz zur Optimierung moderner Rechensystemen mit 4,2 Millionen Euro. Das Projekt "Programming Large Scale Heterogeneous Infrastructures" l盲uft seit September 2013.
Moderne Rechnersysteme sto脽en heute immer st盲rker an ihre Leistungsgrenzen. Dies gilt f眉r sogenannte eingebettete Systeme, wie sie in jedem Handy, Camcorder oder neueren Fotoapparat Verwendung finden. Denn w盲hrend die Ger盲te selbst immer kleiner werden, steigen die technischen Anforderungen. Aber auch Supercomputer sind davon betroffen. Zwar sind heutzutage bis zu einer Trillion (10 hoch 18) Rechenoperationen pro Sekunde m枚glich, doch zu programmieren sind diese Gro脽rechner au脽erordentlich schwer. Fr眉her wurden wachsende Leistungsanforderungen durch immer schnellere Prozessoren ausgeglichen. "Doch seit 2006 ist das Potential herk枚mmlicher Rechnereinheiten weitestgehend ausgesch枚pft, sodass zur Leistungssteigerung in den Rechnern vor allem die Prozessorenanzahl und deren Spezialisierungsgrad erh枚ht wird", so Professor Stefan Wesner. Der Leiter des Instituts f眉r Organisation und Management von Informationssystemen (OMI) der 51本色 koordiniert ein internationales Forschungsprojekt, das von der Europ盲ischen Union nun mit 4,2 Millionen Euro gef枚rdert wird. "POLCA", so die Abk眉rzung, steht f眉r "Programming Large Scale Heterogeneous Infrastructures", und hat zum Ziel, die Nutzbarkeit und Energieeffizienz moderner Rechensysteme durch optimierte Programmierung deutlich zu verbessern.
Das POLCA-Konsortium vereint Experten aus den Bereichen eingebettete Systeme und Hochleistungsrechnen. Eingebunden sind dabei Industrie- und Forschungspartner aus zwei Firmen und sechs Forschungseinrichtungen aus ganz Europa. Zum Forschungsverbund geh枚ren neben den 51本色en Stuttgart, Ulm und Twente (Niederlande) das belgische "Centre d'Excellence en Technologies de l'Information et de la Communication" (CETIC), die "Fundacion IMDEA Software" und "Universidad Polit茅cnica de Madrid" aus Spanien, der britische Hardware-Hersteller "MAXELER Technologies Limited" sowie der Chip-Hersteller "RECORE Systems" aus den Niederlanden.
Die Leistungsf盲higkeit eingebetteter Systeme voll aussch枚pfen
Insbesondere moderne eingebettete Systeme, wie sie in Smartphones, Navis und DVD Playern Verwendung finden, haben mit den zunehmenden Leistungsanforderungen zu k盲mpfen. Nur durch die Parallelisierung und Spezialisierung im Einsatz von Recheneinheiten k枚nnen hier noch Spielr盲ume nach oben geschaffen werden. "M枚gliche Kapazit盲ten werden hier aber nicht ausgesch枚pft, weil die Programmierung nicht wirklich an die Systemeigenschaften der Hardware angepasst ist", erkl盲rt Wesner. Das Ziel der Wissenschaftler ist es nun, die Leistungsf盲higkeit eingebetteter Systeme an die von Hochleistungsrechnern heranzuf眉hren, und zwar allein durch den Einsatz optimierter Programme. "Dies ist nicht zuletzt entscheidend f眉r die Verwendung hochspezialisierter Mikrocontroller, wie sie beispielsweise bei der Radaranalyse, der Erdbeben-Vorhersage oder der Suche nach 脰lquellen angewendet werden", erkl盲rt Professor Manuel Carro von IMDEA.
Hochleistungsrechner und Supercomputer sind 盲u脽erst schwer programmierbar
Parallelisierung und Spezialisierung sind aber auch ein Problem f眉r das Hochleistungsrechnen, also den Einsatz von Supercomputern. "Die Entwickler dieser Rechensysteme haben hier vor allem mit der Kombination vielf盲ltiger hochspezialisierter Recheneinheiten zu k盲mpfen, die notwendig ist, um immer spezielleren Anforderungen gerecht werden zu k枚nnen", erg盲nzt Dr. Colin Glass vom H枚chstleistungsrechenzentrum (HLRS) Stuttgart. "Moderne Supercomputer sind nicht mehr so homogen. Das macht eine effiziente Programmierung umst盲ndlich und aufw盲ndig. Weltweit gibt es nur eine Handvoll Experten, die das 眉berhaupt noch k枚nnen", meint Glass.
POLCA greift dort, wo klassische Ans盲tze nicht weiterkommen
Der POLCA-Ansatz greift dort, wo die klassischen Konzepte zur Leistungssteigerung nicht mehr weiter helfen: Durch die Entwicklung eines 眉bergreifenden Programmiermodells und der dazugeh枚rigen Werkzeuge soll der Programmierer die spezifischen Hardwareeigenschaften besser ausnutzen und in ein 眉bergeordnetes System integrieren k枚nnen. Anders gesagt: das POLCA-Programmiermodell erm枚glicht es, Anwendungen 眉ber ein breites Spektrum von Prozessortypen zu verteilen." Damit bereitet das Projekt den Weg f眉r die n盲chste Generation von Anwendungen, die eine Vielzahl unterschiedlichster Prozessortypen gleichzeitig adressieren m眉ssen", erl盲utert Projektkoordinator Stefan Wesner.
Die Wettbewerbsf盲higkeit europ盲ischer Hersteller verbessern
M枚glicherweise l盲sst sich damit langfristig auch die Wettbewerbsf盲higkeit europ盲ischer Hardware-Hersteller verbessern, denn obwohl in Europa einige der besten spezialisierten Prozessoren hergestellt werden, dominieren noch immer die USA den Prozessor-Markt. "Die POLCA-Programmierung wird uns dabei helfen, die Kapazit盲ten moderner Rechner-Systeme besser auszusch枚pfen ohne dabei an spezielle Anbieter gebunden sein", hoffen die europ盲ischen Projektpartner. Das Dilemma bisher: "Hoch spezialisierte Systeme wie Maxeler's Datenfluss-Rechner liefern bereits jetzt schon hohe Effizienzsteigerungen, sind allerdings noch immer schwer zu programmieren", so Oliver Pell von Maxeler Technologies. Der System-Hersteller weiter: "Durch einen neuen Programmieransatz wie POLCA kann dieser Aufwand betr盲chtlich reduziert werden, sodass diese hoch spezialisierten Hardware-Systeme f眉r ein breites Kundenspektrum interessant werden".
"Moderne System m眉ssen zudem zunehmend durch den Programmierer rekonfiguriert werden k枚nnen. Das erweitert zwar das Anwendungsspektrum, erfordert aber zus盲tzliches Hardware-Verst盲ndnis", so Lotfi Guedria von CETIC. "Dabei ist die Entwicklung spezialisierter Systeme an sich schon hoch komplex", erg盲nzt Dr. Gerard Rauwerda von Recore Systems. "Solche Systeme optimal zu nutzen hei脽t, die Probleme von beiden Seiten aus anzugehen - POLCA adressiert dieses Problem zum gro脽en Vorteil des Programmierers", sind sich die Projektpartner einig. Die n盲chsten 3 Jahre werden sie genau daran arbeiten.
Foto Wesner: Elvira Eberhardt
Verantwortlich: Andrea Weber-Tuckermann