Workflows auf Manycore Prozessoren

Dieser Projektantrag behandelt die "systems on chip" Thematik aus dem Themengebiet der Informations- und Kommunikationstechnologien. Heutzutage ist es eine allgemein akzeptierte Tatsache, dass das Design von Consumer-Prozessoren geändert werden muss, um weiterhin eine Verdoppelung der Software-Performance alle 18 Monate erreichen zu können. Das wird dadurch erreicht, indem mehrere Prozessor-Kerne, welche mit einer niedrigen Taktfrequenz laufen, auf einem einzelnen Prozessor-Chip untergebracht werden. Die Konsequenz aus dieser radikalen Designänderung ist dramatisch: Die Leistung eines Prozessors kann nicht mehr durch eine einfache Erhöhung des Prozessor-Taktes gesteigert werden, stattdessen müssen wir die Paradigmen der parallelen Programmierung nutzen. Diese Entwicklung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die kommerzielle Software- Entwicklung, insbesondere auf Programmiersprachen und -tools, Compiler und Betriebssysteme. Früher wurde die parallele Programmierung hauptsächlich genutzt, um wissenschaftliche Anwendungen auf großen Clustern und Supercomputern auszuführen. Heutzutage sind Manycore-Prozessoren in allen Bereichen des PC-Marktes zu finden, auch bei Desktop-Computern und Servern. Manycore-Prozessoren haben weitreichende Auswirkungen auf die Software-Entwicklung in der Industrie, der Wirtschaft und auch der Wissenschaft, da bestehende Anwendungen nicht für Manycore-Prozessoren ausgelegt sind und einem Großteil der Software-Entwickler das Know-how für die Entwicklung von parallelen Anwendungen fehlt. Derzeit hat nur ein kleiner Prozentsatz von hoch qualifizierten Software-Entwicklern das Wissen, um performante parallele Anwendungen zu entwickeln. Aus diesem Grund braucht es neuartige Programmiermodelle und -tools, um Software-Entwickler bei der Programmierung von parallelen Anwendungen bestmöglich zu unterstützen. Eine wichtige Klasse von Anwendungen, welche bis jetzt in der Diskussion um die effizienteste Methode der Entwicklung von parallelen Anwendungen kaum erwähnt wurden, sind Workflow Anwendungen. Workflow Anwendungen haben einen großen Einfluss auf die Software-Entwicklung in der Industrie, der Wirtschaft und der Wissenschaft auf Desktop-Computern, Servern und parallelen Rechnern. Sie ermöglichen eine Beschleunigung und Vereinfachung des Software-Entwicklungsprozesses, indem sie es den Software-Entwicklern ermöglichen, schon existierende Software zu neuen, größeren und mächtigeren Anwendungen zu kombinieren. Workflow Anwendungen haben sich mittlerweile zu einem einfachen Weg entwickelt, um Anwendungen für die Datenanalyse zu formalisieren und zu strukturieren, die dafür notwendigen Berechnungen auf verteilten Rechnerressourcen auszuführen, dabei entstehende Ergebnisse einzusammeln und zu analysieren, und um die Datenanalyse jederzeit und nachvollziehbar wiederholen zu können. Das Ziel dieses Projektes ist es, Workflow Anwendungen als einen erfolgversprechenden Kandidaten für ein neues Paradigma der Entwicklung von parallelen Anwendungen auf Manycore-Prozessoren vorzuschlagen und auf die Eignung dafür zu untersuchen. Des weiteren soll eine neuartige Umgebung für die Entwicklung, Parallelisierung und Optimierung von Software geschaffen werden. Die angestrebten Ziele werden durch folgende Forschungsbeiträge erreicht: 1. BPEL Multi-Processing (BPEL-MP) wird als eine neue Sprache für die Software-Entwicklung für Manycore-Prozessoren definiert. BPEL-MP wird die wichtigsten Features für die Spezifikation von Daten- und Task-Parallelismus auf einem hohen Abstraktionslevel beinhalten und ist dabei eine Erweiterung von BPEL, der am meisten benutzten standardisierten Sprache für Workflow Anwendungen. 2. Multi-objective Scheduling- und Laufzeitoptimierungstechniken werden erforscht, um sowohl Energieverbrauch, als auch Ausführungszeit und Berechnungskosten von Workflow Anwendungen auf Manycore-Prozessoren zu minimieren. 3. Es werden innovative Lösungen für das Ressourcenmanagement auf Manycore-Computern entwickelt. Dabei werden ökonomisch realisierbare Kosten- und Energiemodelle verwendet. 4. Existierende BPEL Workflow Anwendungen werden für bestehende und zukünftige Manycore-Computer verfügbar gemacht, wobei die Performance gesteigert, Kosten sowie Energieverbrauch jedoch reduziert werden. 5. Eine Umgebung für die Parallelisierung von Workflow Anwendungen wird zur Verfügung gestellt werden. Diese Umgebung wird eine bedeutend kürzere Time-To-Market für neue Anwendungen ermöglichen.

Über viele Jahre versprach das Mooresches Gesetz Herstellern und Benutzern immer billigere und immer leistungsfähigere Computer. Heutzutage stößt dieses Gesetz jedoch an seine physikalischen Grenzen und es ist aufgrund des unverhältnismäßig ansteigenden Energieverbrauches nicht mehr möglich durch einfaches Erhöhen der Taktfrequenz des Prozessors die Leistung zu steigern. Um dennoch die Leistungsfähigkeit eines Computers alle 18 Monate gemäß dem Mooreschen Gesetz verdoppeln zu können, wird daher anstatt der Taktfrequenz die Anzahl der Prozessorkerne erhöht. Dies erfordert jedoch ein Umdenken in der Softwareentwicklung und die Verwendung von neuen parallelen Programmiermethoden, um mehr als einen Prozessorkern effizient verwenden zu können. Diese Entwicklung hat einen tiefgreifenden Effekt auf die kommerzielle Softwareentwicklung, insbesondere auf Programmiersprachen, Compilern, Betriebssysteme und Entwicklungswerkzeuge. Workflow-Anwendungen sind eine äußerst erfolgreiche Klasse von kommerziellen und wissenschaftlichen Anwendungen, welche aus mehreren eigenständigen Programmen zusammengesetzt werden. Workflow-Anwendungen wurden jedoch bis jetzt für die effiziente parallele Programmierung von Manycore-Prozessoren nicht in Betracht gezogen.Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Erforschung von neuartigen Methoden für die Entwicklung und Ausführung von Workflow-Anwendungen auf parallelen Manycore-Prozessoren mit folgenden Zielen:Eine gemeinsame Workflow-Spezifikationssprache, die den Austausch von Workflow-Anwendungen zwischen verschiedenen Workflow-Systemen ermöglicht und von den wichtigsten Workflow-Systemen unterstützt wird;Ein umfassendes Entwicklungs- und Laufzeitsystem für Workflows, welches kompatible Workflow-Anwendungen in ein eigenständiges C++ Programm für die Ausführung auf Manycore-Prozessoren übersetzt, mit speziellen Fokus auf größtmögliche Performanz und einen im Vergleich zu existierenden Workflow-Systemen sehr niedrigen Overhead;Energieeffiziente Ressourcenverwaltungstechniken, welche eine genaue und effiziente Simulation und Bereitstellung von Ressourcen bei gleichzeitiger Reduktion des Energiebedarfs ermöglichen;Multikriterielle Schedulingverfahren für die optimierte Ausführung von Workflow-Applikationen auf heterogenen Infrastrukturen unter Berücksichtigung von miteinander in Konflikt stehenden Parametern wie Ausführungszeit, Energieverbrauch, Kosten und Zuverlässigkeit;Validierung der Forschungsergebnisse durch praxisnahe und interdisziplinäre Kooperationen mit verschiedenen industriellen und wissenschaftlichen Partnern aus den Bereichen der Metrologie, theoretischen Chemie, Astronomie, Finanzen und Mathematik, welche die entwickelten Methoden auf ihre Manycore-Infrastrukturen angewendet haben und dadurch eine Verbesserung der Auslastung sowie eine Reduktion der Ausführungszeit ihrer Anwendungen erreichen konnten.