Motivation

Die Parallelisierung von Programmen zur Lösung von Problemstellungen hat sich in den letzten Jahren zu einer Standardvorgehensweise zur Verringerung der Rechenzeit im Bereich der Ingenieurwissenschaften, aber auch im Bereich der Quanten- und Plasmaphysik, der Materialwissenschaften und besonders im Bereich der Wettervorhersage entwickelt. Die Parallelisierung eines Problems bedeutet die Aufteilung des Problems in kleine, unabhängige Teilprobleme. Bei der Aufteilung eines Problems in Teilprobleme muss folgendes beachtet werden:

• die Datenstruktur des Programms,
• Datenabhängigkeiten innerhalb des Programms,
• Unabhängigkeit der Daten,
• Berechnungszeiten und Dominanz für die zu separierenden Teile,
• Lastbalance der gleichzeitig abzuarbeitenden Teilprobleme,
• das Laufzeitverhalten der zu parallelisierenden Programmteile.

Eine Parallelisierung macht daher oft ein Reengineering der Software notwendig. Des weiteren ist die Anschaffung eines Parallelrechners eine große Investition, die sich wirtschaftlich rechnen muss. Die geringere Laufzeit und somit schnelleren Antwortzeiten des Rechners rechtfertigen diesen Aufwand nicht immer.

Ein Parallelrechner stellt oft ein Vielfaches der Speicherkapazität eines sequentiellen Rechners zur Verfügung bzw. ein vielfach größerer Speicher ist überhaupt adressierbar. Hierdurch ergeben sich Vorteile, wie z.B. die Beherrschbarkeit von größeren Problemstellungen oder eine genauere Simulation durch höhere Detailliertheit.

In einigen Anwendungsfeldern, wie z.B. der Wettervorhersage, ist es notwendig, dass die Simulationsrechnung schneller abläuft als das physikalische Geschehen dauert, um als Vorhersage funktionieren zu können. Diese hohe Geschwindigkeit der Berechnung ist bei der notwendigen Detailliertheit des Modells nur auf einem Parallelrechner möglich.

Die Steigerung der Rechenkapazität eines sequentiellen Rechners auf eine Rechenleistung, die äquivalent zu der von Parallelrechnern ist, ist aufgrund der Fertigungstechnik im Bereich der Chip-Herstellung bzw. durch physikalische Grenzen, wie z.B. der Lichtgeschwindigkeit als maximale Geschwindigkeit für die Übertragung von Informationen, nicht möglich. Parallelrechner, die diese Chips dann nutzen würden, wären trotzdem um ein Vielfaches schneller.

Bis Ende der achtziger Jahre wurden meist spezielle Parallelrechner mit eigenen Betriebssystemen und speziellen Prozessoren entwickelt. Seit Anfang der neunziger Jahre wird verstärkt versucht, durch Verwendung von Standardkomponenten wie z.B. Personal-Computer-Prozessoren (PowerPC oder Intel Pentium), die Preise der Rechner zu verringern.

Eine andere Entwicklung ist die Nutzung von Rechner-Netzwerken als Parallelrechner. Hierbei werden eine Reihe von Personal-Computern und/oder Workstations zu einem virtuellen Parallelrechner durch eine Software zusammen geschaltet. Zum Austausch von Daten und Instruktionen dient die normale Netzwerkverkabelung der Rechner. Diese Nutzung hat im Gegensatz zu speziellen Parallelrechnern den Vorteil, dass in vielen Firmen nachts die Rechner ungenutzt sind und daher fast keine Kosten entstehen, wenn man sie zu dieser Zeit als Parallelrechner einsetzt.