Neue Softwarebibliothek aus dem Max-Planck-Institut Magdeburg

Schneller Wechsel zwischen den Implementierungen bei numerischen Rechnungen unter LINUX

In vielen Bereichen der Forschung werden Simulationen eingesetzt, um innerhalb einer Versuchsreihe aufwändige und kostenintensive Experimente durch computergestützte Modellierungen zu ersetzen. Beim Supercomputing berechnen Hochleistungsrechner diverse komplexe Szenarien und werden dafür unter anderem in den Naturwissenschaften, in der Klimaforschung und in der Medizin eingesetzt.

Viele dieser Berechnungen sind auf Operationen der linearen Algebra, also auf Matrix- oder Vektormultiplikationen aufgebaut. Als Basis hält dafür die Bibliothek BLAS (Basic Linear Algebra Subroutines) viele grundlegende Operationen bereit, die für den Computer verfügbar gemacht werden und so schnellere Berechnungen ermöglichen. Die einzelnen Implementierungen, also die Umsetzung der Algorithmen auf dem Computer, in den Bibliotheken bieten unterschiedliche Vorteile. Doch trotz der Möglichkeit die Bibliothek in den Anwendungen auszutauschen, ist dieser Vorgang zeitaufwändig und fehleranfällig. Das Wechseln der Implementierung ist jedoch einerseits bei der Fehlersuche, zusätzlich auch bei der Performanceanalyse erforderlich.

Eine Abhilfe entstand in der Forschungsgruppe Numerische Methoden in der System- und Regelungstheorie am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg bei der Entwicklung von Algorithmen in der numerischen linearen Algebra. Die Idee kam Diplom-Mathematiker Martin Köhler Ende 2013: „Die FlexiBLAS Bibliothek stellt einen Mechanismus zur Verfügung, mit dem man schnell zwischen verschiedenen BLAS-Implementierungen wechseln kann, ohne die bisher übliche zeitraubende und fehleranfällige Prozedur.“ FlexiBLAS führt also keine eigenen Berechnungen durch, sondern dient „als schneller und flexibler Vermittler zwischen dem Nutzer und der BLAS Implementierung, die er gerade nutzen will“.

Ende Oktober 2020 wurde FlexiBLAS in der neuesten Version von Fedora Linux, einem freien Betriebssystem, als Standardbibliothek für einen großen Teil der weltweiten Linux-Nutzer gewählt. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut Magdeburg steht somit eine praktische Plattform zur Verfügung. Auch die Forschung an anderen Institutionen profitiert von FlexiBLAS und der Erleichterung des Arbeitsaufwands, die die BLAS-Bibliotheken mit sich bringen.

In Zukunft sollen weitere Tools hinzugefügt werden, mit denen Nutzer analysieren können, wie die BLAS-Bibliotheken genutzt werden. Außerdem will Martin Köhler „die Möglichkeit schaffen, dass beim Einsatz von FlexiBLAS automatisch Berechnungen auf leistungsstarke Grafikkarten ausgelagert werden können“. Diese sind in den meisten modernen Computern vorhanden und können zur Beschleunigung der Berechnungen verwendet werden.

YH / GE