Die Zukunft des „High Performance Computing (HPC)“

Mit der Einführung des ersten Dual-Cores (Intel Pentium Extreme Edition 840) im Jahr 2005 wurde die Multi-Core-Ära für handelsübliche Computer eingeläutet. Seitdem geht der Trend unaufhaltsam weiter in Richtung multi-core (CPU), many-core (GPU) bzw. hybride Multi-Many-Core (CPU/GPU) Systeme. Die Verwendung einer solchen Hardware erlaubt die gleichzeitige Ausführung von dutzenden bis hin zu mehreren tausenden Berechnungen gleichzeitig.

Für die Industrie eröffneten sich durch die neue Rechenleistung viele neue Möglichkeiten, die vor Jahren noch undenkbar waren. Hoch komplexe Computermodelle können in Echtzeit auf sich ändernde Produktionsbedingungen reagieren, Analysen können schneller bei gleichbleibender Präzission durchgeführt oder rechenintensive Bildverarbeitungssysteme für z.B. eine inline 100% Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Dennoch bremsen sequentielle Software Altlasten, die über Jahrzehnte ihre Dienste ausgezeichnet vollbrachten, die Euphorie der Industrie, da die performante Ausführung von Anwendungen nicht nur mit Hardware Austausch zu erreichen ist, sondern auch meist mit kostenintensivem Softwareaustausch verbunden werden muss.

„Trotz innovativer und weit fortgeschrittener Entwicklungen neuer Hardware Technologien, steckt die Entwicklung geeigneter Sprachen, um rechenintensive Anwendungen effizient zu implementieren/parallelisieren

und mit hoher Performanz auszuführen, fast noch in den Kinderschuhen. Das Problem beginnt bei der allgemeinen Softwareentwicklungsausbildung, die nach wie vor sehr stark die sequentielle Programmierung beinhaltet und endet trotz geeigneter Schulung oft bei der hohen Komplexität von parallelen Strukturen“, erklärt DI Volkmar Wieser.

DI Volkmar Wieser

DI Volkmar Wieser, Copyright: scch

Das Software Competence Center Hagenberg hat sich gemeinsam mit internationalen Universitäten (Hertfordshire, Heriot Watt, St. Andrews, Twente, Amsterdam, Pisa) und Industriepartner (SAP, Philips Healthcare, Technion, Erlang Solutions, Mellanox Technologies) im Rahmen von den EU Projekten ADVANCE (http://www.project-advance.eu/) und ParaPhrase (http://paraphrase-ict.eu/), folgendes zum Ziel gesetzt: Strategien und Sprachen zur effizienten Parallelisierung von komplexen Anwendungen bei gleichbleibender/besserer Laufzeit gegenüber konventionellen Parallelisierungssprachen (CUDA, OpenCL) zu entwickeln. Dadurch können kostengünstiger und in kürzeren Entwicklungsstufen parallele Softwaremodule oder Anwendungen entwickelt werden ohne dazu unbedingt spezielles Expertenwissen zu benötigen. Das SCCH ist dabei ein kompetenter Partner für industrienahe Problem- und Fragestellungen und liefert wertvolle Informationen für eine praxistaugliche Umsetzung der entwickelnden Konzepte.

Nachfolgend ein kurzer Überblick der beiden EU Projekte:

ADVANCE beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuen Programmierparadigmen und Sprachen (SNET, Single Assignment C), die vorhandene sequentielle Softwarestrukturen mit Hilfe von Hardware Virtualisierung auf neue Hardware Technologien für Parallelisierung transferieren.

SNET (http://www.snet-home.org/) unterstützt dabei die Modularisierung vorhandener Altsoftware und verbindet die entwickelten Module zu einem dynamischen Netzwerk, das auf unterschiedlichste Hardwarekomponenten, unter Berücksichtigung der optimalen Auslastung, verteilt werden kann.

Single Assignment C (SAC) (http://www.sac-home.org/) hingegen ist eine rein funktionale Programmiersprache, die komplexe parallele Programmierparadigmen abstrahiert und somit eine effiziente Implementierung der Problemstellungen erlaubt. Darüber hinaus, ist es mit SAC möglich,

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den Source Code auf heterogene Hardwaresysteme (CPUs, GPUs) zu kompilieren, ohne das der Entwickler dabei Rücksicht auf die darunterliegende Hardwarearchitektur nehmen muss. Dies ermöglicht eine drastische Kürzung der Entwicklungszeit und somit auch der Entwicklungskosten.

ParaPhrase beschäftigt sich im Gegensatz zu ADVANCE mit der Entwicklung von allgemeinen parallelen Design Patterns, die auf die vorhandenen Hardware Komponenten abgebildet und bei Bedarf einfach umstrukturiert werden können. Sie sollen die Programmierbarkeit von parallelen Systemen erleichtern und gleichzeitig den Energieverbrauch der Hardware Komponenten reduzieren. Der Entwicklungs- und Kostenaufwand wird dabei durch sogenannte „Skeletons“ (implementierte Templates) stark reduziert.

Beide EU-Projekte dienen der Entwicklung von Programmierparadigmen und Sprachen, die in Zukunft, die unterschiedlichen hohen Anforderungen an Hard-

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und Software erfüllen bzw. Entwicklungsaufgaben für heterogene Architekturen erleichtern sollen.

Blogbeitrag geschrieben von DI Volkmar Wieser, Industrial Researcher, software competence center hagenberg

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