Entwurf und Realisierung eines Multiprozessors

Physikalische Experimente, die an Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, sind in den letzten Jahren zunehmend komplexer geworden. Dies ist in erster Linie der technologischen Entwicklung zu verdanken, die eine immer leistungsfähigere Infrastruktur wie Beschleuniger, Detektoren und Elektronik verfügbar machte. Damit wurde die Untersuchung neuartiger Probleme möglich. Umgekehrt stimulierten die gemachten Erfahrungen technologische Entwicklungen zur Beseitigung aufgetretener Engpässe.

Experimente in der Atom-, Kern- und Hochenergiephysik werden zum größten Teil an Beschleunigern durchgeführt. Beschleunigte Projektile — von Elektronen bis zu schweren Kernen — lösen in Targets Reaktionen aus. Dabei werden die verschiedenen Ausgangskanäle einer Reaktion mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten populiert. Die Reaktionsprodukte aller Ausgangskanäle werden in Detektoren nachgewiesen. Vor Jahren war es noch praktikabel, den größten Teil aller Detektordaten zu digitalisieren und auf Band zu speichern. Damit standen offline alle Möglichkeiten zur Datenanalyse, d.h. zur Auswertung des Experiments, zur Verfügung.

Parallelverarbeitung ist im täglichen Leben die Regel. Überall dort, wo eine Gruppe von Personen gemeinsam an einer Aufgabe arbeitet, werden unbewußt ähnliche Methoden verwendet, wie sie für die Koordinierung paralleler Prozesse in Computersystemen notwendig sind.

In den vorangegangenen Kapiteln wurde dargelegt, welche neuen Probleme die Parallelverarbeitung aufwirft, welche Möglichkeiten zur Auslegung eines Parallel-Rechners existieren und welche Architektur für das Polyp-System ausgewählt wurde. Im folgenden wird dargestellt, wie diese Architektur technisch realisiert wurde. Zentraler Punkt ist dabei die Realisierung der Rechner-Hardware. Die System-Software ist — wie später gezeigt — im Falle der Ereignisfilterung trivial. Für andere Anwendungen wurden jedoch Betriebssysteme entwickelt, die einerseits eine möglichst einfache Nutzung des Multiprozessors durch quasi-sequentielle Programmierung erlauben, andererseits die vollen Möglichkeiten eines Multiprozessor-Multitasking-Betriebs für Echtzeitanwendungen bereitstellen. Die Softwareaspekte werden im letzten Teil dieses Kapitels diskutiert.

In den vorangegangenen Kapiteln wurde der Entwurf und die Realisierung des Multiprozessor-Systems Heidelberger Polyp beschrieben. Ausgehend von den Prinzipien der Parallelverarbeitung wurde versucht, aus der Vielfalt der möglichen Parallelrechner-Architekturen an hand einer konkreten Anwendung eine spezielle Struktur abzuleiten. Die Darstelung der Realisierungsphase zeigte, daß auch bei definierter Systemarchitektur noch sehr viele freie Parameter existieren, die die Leistungsfähigkeit des Systems entscheidend beeinflussen können. In vielen Fällen sind die impliziten Abhängigkeiten der Parameter so unüberschaubar, daß sich ein System scheinbar paradox verhält: Bei C.mmp nahm die Leistung ab einer bestimmten System- große mit zunehmender Prozessorzahl ab. Analog könnte beim Polyp-System die Zuverlässigkeit allein dadurch sinken, daß es fehlertolerant ausgelegt wurde und damit komplexer ist als ohne Unterstützung von Fehlerbehandlung. Die Abhängigkeiten der Parameter untereinander sind zum Teil nichtlinear, etwa zwischen der Leistung eines Prozessors und der Größe seines Cache- Memorys. Andere Parameter sind diskontinuierlich, etwa die Entscheidung zwischen Multiplex- oder paralleler Übertragung von Adressen und Daten auf dem Bus. Infolgedessen kann eine Systemoptimierung nicht mit Standardverfahren, z.B. linearer Programmierung durchgeführt werden; das Optimierungsproblem ist sogar NP-vollständig. Die Festlegung der Systemparameter folgt deshalb immer gewissen Heuristiken, deren Erfolg nicht garantiert ist. Die Leistungsfähigkeit des Polyp-Systems muß sich deshalb erst in einem längeren Einsatz bei verschiedenen Anwendungen zeigen.