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Promotionen der Fakultät für Informatik im Jahr 2010

Michael Schwind
"Programmtransformationen für Vielteilchensimulationen auf Multicore-Rechnern"
Promotion zum Dr.-Ing.

Gutachter: Prof. Dr. Gudula Rünger (Technische Universität Chemnitz) Prof. Dr. Petr Kroha (Technische Universität Chemnitz)

Abstract deutsch:
In dieser Dissertation werden Programmtransformationen für die Klasse der regulär-irregulären Schleifenkomplexe, welche typischerweise in komplexen Simulationscodes für Vielteilchensysteme auftreten, betrachtet. Dabei wird die Effizienz der resultierenden Programme auf modernen Multicore-Systemen untersucht. Reguläre Schleifenkomplexe zeichnen sich durch feste Schleifengrenzen und eine regelmäßige Struktur der Abhängigkeiten der Berechnungen aus, bei irregulären Berechnungen sind Abhängigkeiten zwischen Berechnungen erst zur Laufzeit bekannt und stark von den Eingabedaten abhängig. Die hier betrachteten regulären-irregulären Berechnungen koppeln beide Arten von Berechnungen eng. Die Herausforderung der effizienten Realisierung regulär-irregulärer Schleifenkomplexe auf modernen Multicore-Systemen liegt in der Kombination von Transformationstechnicken, die sowohl ein hohes Maß an Parallelität erlauben als auch die Lokalität der Berechnungen berücksichtigen.

Moderne Multicore-Systeme bestehen aus einer komplexen Speicherhierachie aus privaten und gemeinsam genutzten Caches, sowie einer gemeinsamen Speicheranbindung. Diese neuen architektonischen Merkmale machen es notwendig Programmtransformationen erneut zu betrachten und die Effizienz der Berechnungen neu zu bewerten. Es werden eine Reihe von Transformationen betrachtet, die sowohl die Reihenfolge der Berechnungen als auch die Reihenfolge der Abspeicherung der Daten im Speicher ändern, um eine erhöhte räumliche und zeitliche Lokalität zu erreichen. Parallelisierung und Lokalität sind eng verknüpft und beeinflussen gemeinsam die Effizienz von parallelen Programmen. Es werden in dieser Arbeit verschiedene Parallelisierungsstrategien für regulär-irreguläre Berechnungen für moderne Multicore-Systeme betrachtet.

Einen weiteren Teil der Arbeit bildet die Betrachtung rein irregulärer Berechnungen, wie sie typisch für eine große Anzahl von Vielteilchensimualtionscodes sind. Auch diese Simulationscodes wurden für Multicore-Systeme betrachtet und daraufhin untersucht, inwieweit diese auf modernen Multicore-CPUs skalieren. Die neuartige Architektur von Multicore-System, im besonderen die in hohem Maße geteilte Speicherbandbreite, macht auch hier eine neue Betrachtung solcher rein irregulärer Berechnungen notwendig. Es werden Techniken betrachtet, die die Anzahl der zu ladenden Daten reduzieren und somit die Anforderungen an die gemeinsame Speicherbandbreite reduzieren.

Matthias Vodel
"Funkstandardübergreifende Kommunikation in Mobilen Ad Hoc Netzwerken"
Promotion zum Dr.-Ing.

Gutachter: Prof. Dr. Wolfram Hardt (Technische Universität Chemnitz), Prof. Dr. Thomas Bauschert (Technische Universität Chemnitz), Prof. Dr. Martin Gaedke (Technische Universität Chemnitz)

Abstract deutsch:
Der neunte Band der wissenschaftlichen Schriftenreihe Eingebettete, Selbstorganisierende Systeme widmet sich der funkstandardübergreifenden Kommunikation in Mobilen Ad Hoc Netzwerken.
Im Zuge der fortschreitenden, drahtlosen Vernetzung mobiler Endgeräte entstehen immer neue, hochspezialisierte Kommunikationsstandards. Deren Übertragungseigenschaften sind dabei eng an den jeweiligen Anwendungsfokus gebunden. Eine intelligente Verknüpfung der verfügbaren Standards würde die Integrationsmöglichkeiten der Endgeräte deutlich erhöhen. Gleichzeitig bieten sich vielfältige Möglichkeiten, die Kommunikation bezüglich auftretender Latenzen, der Erreichbarkeit und dem Energieverbrauch zu optimieren.
Im Rahmen dieser Arbeit stellt Herr Vodel ein generisches Konzept vor, welches eine solche Verknüpfung applikationsunabhängig ermöglicht. Der entwickelte Integrationsansatz nutzt dabei handelsübliche, am Markt verfügbare Funkmodule, welche auf einer hardwarenahen Ebene gekapselt werden. Der Anwendungsfokus liegt speziell im Bereich eingebetteter sowie mobiler, ressourcenbeschränkter Systeme.
Für die Umsetzung des Konzeptes werden drei wesentliche Problemstellungen betrachtet. Zunächst muss die grundlegende Initialisierung und Verwaltung der heterogenen, funkstandardübergreifenden Topologie sichergestellt werden. Darauf aufbauend wird eine effiziente Routingstrategie vorgestellt, welche die Vorteile der geschaffenen Netzwerkstruktur in vollem Umfang nutzen kann. Im Zuge eines möglichen Funkstandardwechsels während der Übertragung muss außerdem ein reibungsloser Konvertierungsprozess garantiert werden.
Die Evaluierung des vorgestellten Kommunikationskonzeptes erfolgt auf zwei Ebenen. Ein speziell entwickeltes Simulations-Framework ermöglicht weitreichende Testreihen in komplexen Netzwerktopologien. Mit der Entwicklung einer prototypischen Hardware-Plattform können parallel dazu detaillierte Messungen unter Realbedingungen durchgeführt werden.
Die Schwerpunkte dieser Arbeit umfassen somit Konzeption, Simulation und praktische Umsetzung eines neuen Kommunikationsansatzes im Bereich mobiler Ad Hoc Netzwerke. Ich freue mich daher, Herrn Vodel für die Veröffentlichung der Ergebnisse seiner Arbeiten in dieser wissenschaftlichen Schriftenreihe gewonnen zu haben, und wünsche allen Lesern einen interessanten Einblick in dieses Themengebiet.

Dümmler, Jörg
"Entwicklung effizienter gemischt paralleler Anwendungen"
Promotion zum Dr.-Ing.

Gutachter: Prof. Dr. Gudula Rünger (Technische Universität Chemnitz), Prof. Dr. Andreas Goerdt (Technische Universität Chemnitz)

Abstract deutsch:
Die Ausnutzung von gemischter Parallelität durch parallele Tasks führt im Vergleich mit reiner Datenparallelität und reiner Taskparallelität häufig zu effizienteren und flexibleren parallelen Implementierungen. In der vorliegenden Dissertation wird mit dem CM-task Programmiermodell eine Erweiterung des Standardmodells der parallelen Tasks vorgestellt. Damit wird die Modellierung von Kommunikationsoperationen zwischen zeitgleich ausgeführten parallelen Tasks unterstützt, was zur besseren Strukturierung von parallelen Anwendungen mit einem regelmäßigen Datenaustausch zwischen verschiedenen Programmteilen beiträgt. Für das CM-task Programmiermodell wird das zugehörige Schedulingproblem definiert und ein entsprechender Schedulingalgorithmus vorgestellt. Die Anwendungsentwicklung im CM-task Programmiermodell wird durch das CM-task Compilerframework unterstützt, das eine gegebene plattformunabhängige Spezifiktion eines parallelen Algorithmus schrittweise in ein plattformspezifisches Koordinationsprogramm übersetzt. Das Koordinationsprogramm enthält Programmcode zum Anlegen und Verwalten der benötigten Prozessorgruppen, zum Ausführen der vom Anwender bereitgestellten CM-tasks auf diesen Prozessorgruppen sowie zur Realisierung der benötigten Datenumverteilungsoperationen zwischen den Prozessorgruppen. Der Aufbau und die Schnittstellen des CM-task Compilerframeworks werden in der vorliegenden Dissertation detailliert beschrieben. Anhand verschiedener Anwendungen aus dem wissenschaftlichen Rechnens wird die Einsetzbarkeit des CM-task Programmiermodells und des CM-task Compilerframeworks demonstriert.

Abstract englisch:

Mixed parallel programming models based on parallel tasks often lead to more efficient and more flexible implementations compared to pure data and pure task parallelism. In this thesis, the CM-task programming model is proposed which extends standard parallel tasks such that communication phases between concurrently executed parallel tasks can be modeled thus allowing a better structuring of parallel applications that require a frequent data exchange between different program parts. Based on the CM-task programming model the CM-task scheduling problem is defined and a scheduling algorithm is proposed. The development of parallel applications within the CM-task programming model is supported by the CM-task compiler framework, which transforms a given platform independent specification of a parallel algorithm into a platform specific coordination program. The coordination program is responsible for the creation and the management of the required processor groups, the execution of the user provided CM-tasks on these processor groups and for the implementation of the data re-distribution operations between these processor groups. The architecture and the interfaces of the CM-task compiler framework are explained in detail. The applicability of the CM-task programming model and the CM-task compiler framework are demonstrated for several scientific applications.

Meisel André
Design Flow für IP basierte, dynamisch rekonfigurierbare, eingebettete Systeme
Promotion zum Dr.-Ing.

Gutachter: Prof. Dr. Wolfram Hardt (Technische Universität Chemnitz), Prof. Dr.-Ing. Dietmar Fey (Universität Erlangen-Nürnberg)

Abstract deutsch:
Der achte Band der wissenschaftlichen Schriftenreihe EINGEBETTETE, SELBSTORGANISIERENDE SYSTEME widmet sich der Synthese von partiell dynamisch rekonfigurierbaren, eingebetteten Systemen. Mit der Möglichkeit Hardwareblöcke zur Laufzeit auf programmierbaren Bausteinen neu zu konfigurieren, lässt sich eine höhere Flexibilität im Vergleich zu einer Hardwarerealisierung in eingebettete Systeme integrieren. Gleichzeitig sind diese Systeme durch eine gesteigerte Performance gegenüber Software gekennzeichnet. Die Flexibilität kann ausgenutzt werden, um kleinere Schaltkreise bei gleichem Funktionsumfang einzusetzen. Für die Integration von Rekonfigurierung sind zusätzliche Entwurfschritte im Design Flow notwendig.
Herr Meisel stellt hierfür in seiner Arbeit eine Entwurfsmethodik vor und geht im Besonderen auf die Partitionierung, Platzierung und Steuerung in dynamisch rekonfigurierbaren, eingebetteten Systemen ein. Um eine vergleichsweise effizient zu realisierende Partitionierung des Systems zu erhalten, wurde das Overlaying Verfahren aus dem Bereich der Speicherverwaltung für dynamische Rekonfigurierung adaptiert. Für das Platzierungsverfahren wurden Rekonfigurierungen als Markov Kette modelliert, um so zu einer Minimierung der durchschnittlichen Rekonfigurierungsdauer zu gelangen. Die vorgestellte Rekonfigurierungssteuerung fokussiert auf einer ressourcensparenden Hardware Implementierung.
Mit einem Entwurfsbeispiel werden die Vorteile und Ergebnisse des Ansatzes anschaulich illustriert. So kann der Leser die Mächtigkeit des entwickelten Ansatzes nachvollziehen und wird motiviert, die entwickelte Methodik auf weitere Anwendungsfälle zu übertragen.

Abstract englisch:
Volume 8 of scientific series EINGEBETTETE, SELBSTORGANISIERENDE SYSTEME (Embedded Self-Organized Systems) addresses the synthesis of partially dynamically reconfigurable embedded systems. With the ability to configure hardware blocks during run-time, more flexibility can be integrated in embedded systems. At the same time, these systems have better performance than functions implemented in software. Through this flexibility it is possible to use smaller circuits without limiting the functionality. For the integration of reconfiguration into embedded systems, additional design steps are required.
Mr. Meisel presents a design methodology for the design flow and primarily concerns the problem of partitioning, placement, and reconfiguration control in dynamically reconfigurable embedded systems. The implemented partitioning of the system is based on the adapted memory management concept of Overlaying. For the placement method the configurations are modeled as Markov chain, in order to minimize the average reconfiguration time. The presented reconfiguration control unit focuses on a resource-saving hardware implementation.
The benefits and results of the approach are clearly illustrated with a design sample. The reader can understand the power of developed approach and is motivated to transfer the developed methodology to more use cases.

Hilbert, Karsten
Verteilt agierendes System zur Bereitstellung von geometrie- und bild-basierten Approximationen für das Multiresolution Rendering"
Promotion zum Dr.-Ing.
Fakultät für Informatik

Gutachter: Prof. Dr. Guido Brunnett (Technische Universität Chemnitz), Prof. Dr. Marc Eric Latoschik (Universität Bayreuth)

Abstract:
In dieser Arbeit wird ein applikationsunabhängiges Reduktionssystem entworfen, das selbstständig und effizient für die ihm übergebenen Modellteile in allen Betrachtersituationen aus einem möglichen Spektrum von geometrie- und bild-basierten Approximationsformen jeweils die geeignete Approximation generiert, deren Komplexität möglichst gering ist und bei deren Verwendung ein Szenenbild erzeugt werden kann, dessen Bildfehler die vom Nutzer vorgegebenen Schranken nicht überschreitet. Das System nutzt bild- und geometrie-basierte Approximationsformen für unterschiedliche Bereiche im Sichtvolumen des Betrachters.
Nailboards sind die benutzten bild-basierten Approximationen. In dieser Arbeit werden neue Nailboardarten vorgestellt, die für die Approximation von semi-transparenten Objekten und von dynamisch beleuchteten Objekten effizient verwendet werden können. Die vorgestellten Erzeugungs- und Darstellungsmethoden nutzen die Fähigkeiten der aktuellen Hardware intensiv aus, um die Nailboards im Echtzeitkontext nutzbar zu machen. Texturierte, sichtabhängige geometrie-basierte Approximationen werden aus einem texturierten Viewdependent Progressive Mesh (VDPM) gewonnen. In dieser Arbeit wird eine effiziente Methode zur Erzeugung von VDPM vorgestellt, aus der Approximationen mit optimal angepassten Parameterkoordinaten gewonnen werden können, ohne dass ein der VDPM-Erzeugung nachgeschalteter Optimierungsschritt der Parameterkoordinaten aller im VDPM kodierten Approximationen notwendig ist. Die Erzeugung der notwendigen Texturen erfolgt unter Nutzung einer schnellen Parametrisierungsmethode und hardware-gestützter Methoden zur Erzeugung dicht gepackter Texturatlanten.
Durch die Kombination von selektiven Zugriffsmethoden auf TFGR mit effizienten Randanpassungsmethoden, wird erstmals ein effizientes und qualitativ hochwertiges Multiresolution Rendering mittels TFGR ermöglicht. Aus dem TFGR werden texturierte sichtunabhängige Approximationen gewonnen. Zur echtzeitfähigen, vollautomatischen Erzeugung aller drei Approximationsformen wird in dieser Arbeit ein Reduktionssystem vorgeschlagen, das diese Approximationsformen verteilt generiert. Für eine effiziente Kommunikation innerhalb dieses Systems werden entsprechende Kompressions-, Caching- und State-Differencing-Mechanismen vorgeschlagen. Lastverteilungsmechanismen sichern eine effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen ab.