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Ein Verfahren, das die gegenwärtigen Bauweisen von Hoch- und Höchstleistungscomputern durch verbesserte Vernetzung der einzelnen Prozessoren revolutionieren könnte, hat der Informatiker Dr. Michael Sampels in seiner Doktorarbeit am Fachbereich Informatik der Universität Oldenburg entwickelt. In seiner Arbeit mit dem, wie er einräumt, auf den ersten Blick recht abschreckenden Titel "Algebraische Konstruktion von Verbindungsnetzwerken"* beschreibt der erst 29jährige Sampels Rechnerarchitekturen, die den bisher verwendeten weit überlegen sind.
Die praktische Bedeutung von Sampels' Ergebnissen beruht darauf, daß die Leistungsfähigkeit eines modernen Hochleistungsrechners stark von der Art der Vernetzung seiner Prozessoren, dem Verbindungsnetzwerk, abhängt. Parallelrechner, wie sie z.B. für die Wettervorhersage benutzt werden, arbeiten nicht wie PCs mit einem, sondern parallel mit bis zu 30.000 Prozessoren, die sich die Rechenarbeit untereinander teilen und deshalb miteinander kommunizieren müssen. Damit jeder Prozessor mit jedem anderen kommunizieren kann, sind sie über ein Netzwerk zusammengeschlossen.
Sampels ist es gelungen, einen neuen Ansatz für die Konstruktion solcher Prozessornetzwerke zu entwickeln: Er kombiniert eine mathematische Darstellungsmethode der Graphentheorie für die verwendeten Netzwerke, sogenannte Cayley-Graphen, mit einer auf der Evolutionstheorie basierenden Optimierungsmethode, den "genetischen Algorithmen". Nach Darwin paßt sich durch das Prinzip "survival of the fittest" eine Spezies im Laufe der Generationen immer besser an ihre Umweltbedingungen an. Sampels benutzt dieses Prinzip, um seine Cayley-Graphen und damit seine Netzwerke zu optimieren: Er beginnt mit einer zufälligen Start"population" von Graphen, kombiniert diese Graphen miteinander, so daß eine neue Graphen-"Generation" entsteht, und wählt davon die besten aus. Diese benutzt er als neue Startpopulation und wiederholt den Vorgang sooft, bis sich keine weiteren Verbesserungen mehr ergeben. Außerdem benutzt er "Mutationen", zufällige Veränderungen, um zu neuen Graphen zu kommen. Qualitätskriterien für die Auswahl der besten Graphen sind dabei verbesserte Kommunikationseigenschaften der entsprechenden Netzwerke.
Mit diesem Verfahren fand Sampels zahlreiche Graphen, die hinsichtlich der untersuchten theoretischen Größen Verbesserungen bisheriger Resultate aus der Graphentheorie darstellten. In Simulationsexperimenten stellte sich überdies heraus, daß sich wesentliche Verbesserungen gegenüber den in der Konstruktion von Parallelcomputern bisher üblichen "Torus"- und "Hypercube"-Architekturen nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis ergeben.
EineArbeitsgruppe in Los Alamos (USA) hat Sampels' Ideen bereits aufgegriffen und erprobt sie gegenwärtig in einem Hardware-Experiment. Ergebnisse stehen jedoch noch aus. Auch Sampels beschäftigt sich weiter mit dem Thema, seit seiner Promotion allerdings nicht mehr an der Universität Oldenburg, sondern an der Universität-GH Essen, wo er als Assistent am dortigen Fachbereich Informatik tätig ist.
Sampels hat an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen Mathematik und Informatik studiert und anschließend in Oldenburg in der Abteilung Programmiersprachen und -systeme des Fachbereichs Informatik bei Prof. Dr. Michael Sonnenschein mit Auszeichnung promoviert. Seine berufliche Zukunft sieht Samples im Wissenschaftsbereich. Erst im November wurde Sampels mit dem mit 5.000 Mark dotierten Gerhard-Wachsmann-Preis der Universitätsgesellschaft Oldenburg ausgezeichnet, der jährlich für eine wissenschaftliche Arbeit an der Universität vergeben wird (s. Uni-Info 9/98). Bereits 1996 hatte die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik ihn für eine Veröffentlichung mit dem Titel "Cayley Graphs as Interconnection Networks: A Case Study" Sampels einen mit 500 Mark dotierten "Best Paper Award" verliehen.
* Michael Sampels, Algebraische Konstruktion von Verbindungsnetzwerken, 208 Seiten, Preis 79 Mark, Logos Verlag Berlin, ISBN 3-89722-051-2
Criteria of this press release:
Biology, Information technology, Mathematics, Physics / astronomy
transregional, national
Research projects
German
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