Prof. Dr. Friedhelm Meyer auf der Heide

»Hohe Rechenleistung kann nur durch eine Kombination von leistungsfähigen Computersystemen und Algorithmen, die gegebene Probleme so effizient wie möglich lösen, erreicht werden. Daher stellt die Entwicklung von effizienten Algorithmen eine grundlegende Aufgabe der Informatik dar.«

Mittwoch, 21. Dezember 2011 21.12.11 13:59 Alter: 6 Jahre

Programmierbare Bausteine
Juniorprofessor Dr. Christian Plessl entwirft aufgabenspezifische Prozessoren

Foto (Nadija Pejic): Custom Computing – Juniorprofessor Plessl veranschaulicht mit LEGO die Flexibilität von FPGAs.

Beschleunigung durch programmierbare Hardware-Bausteine – so sieht die Zukunft für rechenintensive Aufgaben in Forschung und Industrie aus. „Custom Computing“ ist das Stichwort und seit September 2011 mit Juniorprofessor Dr. Christian Plessl auch ein neues Fachgebiet im Institut für Informatik.

Der Schweizer mit der deutschen Herkunft lebt seit 2007 in Paderborn. Neben den Vorzügen einer Kleinstadt für sich und seine Familie ziehen ihn in besonderem Maße interessante Projekte im Bereich Custom Computing, die Unterstützung der Nachwuchswissenschaftler an der Universität sowie der gute Ruf des Instituts für Informatik in unsere Stadt. Plessl hat an der ETH Zürich Elektrotechnik studiert und 2006 in Technischer Informatik promoviert (Dr. Sc.). Nach einem Postdoc in Zürich war er seit 2007 Nachwuchsgruppenleiter am Paderborn Center for Parallel Computing (PC2).

Herkömmliche Prozessoren arbeiten meist nicht sehr effizient und oft nicht mit voller Ausnutzung. Custom Computing setzt an dieser Stelle an und ist als Spezialgebiet Schnittstelle zwischen Computerarchitektur, Entwurf elektronischer Schaltungen und Compilerbau. Die zugrunde liegende Hardware ist bereits seit längerem bekannt. Aber erst seit Beginn der 2000er Jahre waren die Kapazitäten groß genug, um interessante Aufgabenstellungen zu bearbeiten.

Beim Custom Computing können programmierbare Hardware-Bausteine (engl. FPGAs – Field-programmable Gate Arrays) an spezielle Arbeitsaufgaben angepasst und zusätzlich beliebig miteinander verschaltet werden. Mit diesem Konzept sind, bei optimierter Auslastung, besonders effiziente Berechnungen und Beschleunigungen um mehrere Größenordnungen möglich. Gleichzeitig verspricht die Technologie eine bessere Energieeffizienz als herkömmliche Prozessoren. Besonders die extreme Spezialisierung der Hardware-Bausteine für bestimmte Anwendungen ist von großem Interesse: Erste Einsatzgebiete sind rechenintensive Forschungsbereiche, zum Beispiel Physik und Bioinformatik. Hier geht es um Mustererkennung in Gensequenzen oder die Simulation von Lichtausbreitung in Materialien. Auch für die Industrie ist Custom Computing von großem Interesse, zum Beispiel bei der Berechnung von Verschlüsselungsoperationen für den Datenschutz.

Bei der Anwendung von Custom Computing zeichnen sich laut Juniorprofessor Plessl derzeit drei primäre Herausforderungen ab: Der Einsatz in verschiedenen Fachgebieten, die Hard- und Software-Integration in den regulären Computer sowie eine weitergehende Automatisierung der Programmierung. Durch die Nutzung von Personen mit unterschiedlichen Hintergründen ergibt sich das Problem, dass das Wissen des eigenen Fachgebiets meist nicht ausreicht. Juniorprofessor Plessl arbeitet daher an der Entwicklung neuer Entwurfsmethoden und Entwicklungswerkzeuge. Auf hardware-technischer Seite gestaltet sich die Integration der programmierbaren Bausteine mit dem regulären Computer schwierig, da die aktuellen Technologien für Einsteckkarten nicht optimal geeignet sind. Hier müssen neue Wege gefunden werden. Der dritte Punkt ist die automatische Programmierung der Bausteine. Plessl‘s Ziel ist es, dass „die Prozessoren laufzeitintensive Rechenparts selbst identifizieren und sich das System ständig selbst optimiert“.

Den Einsatz der programmierbaren Bausteine sieht Plessl überall dort, wo bei geringer Energie viel Rechenleistung benötigt wird. Neben der aufgabenspezifischen Bereitstellung von Rechenleistung könnten laut Plessl langfristig auch Generalisierungen für ganze Anwendungsklassen möglich sein.

Juniorprofessor Dr. Christian Plessl kooperiert eng mit der Fachgruppe Technische Informatik. Er ist technischer und wissenschaftlicher Leiter des EPiCS-EU-Projekts sowie fachlicher Leiter für Custom Computing im PC2.


Kontakt:
Jun.-Prof. Dr. Christian Plessl
Custom Computing
05251 - 60-5399
christian.plessl[at]uni-paderborn.de


Kontakt: Patrizia Höfer, Institut für Informatik, 05251 60-3341, hoefer[at]upb.de