FOR 5880:  Ganzheitliche Energie- und Leistungsmodellierung für nachhaltiges Rechnen (Mod4Comp)

• Fachliche Zuordnung: Informatik, System- und Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545776403

Der exponentiell wachsende weltweite IKT-Energieverbrauch trägt nicht unerheblich zum globalen Klimawandel bei. Rechenzentren, mobile Geräte, der KI-Boom und auch das autonome Fahren tragen dazu ihren Teil bei und verlangen eine Verringerung des Stromverbrauchs von Computern im globalen Maßstab. Ziel der Forschungsgruppe "Ganzheitliche Modellierung von Energie und Performanz für nachhaltiges Rechnen (Mod4Comp)" ist die Bereitstellung von Modellen zur Vorhersage der benötigten Rechenzeit und des Energiebedarfs in Rechensystemen mit dem Ziel, den Energie-gewahren Entwurf von Algorithmen und auch neuen Rechnerarchitekturen zu unterstützen. Eine ganzheitliche Betrachtung der Energie- und Performanzsaspekte erfordert genaue Kenntnisse über die Interaktion der Hard- und Software, aufgeschlüsselt bis zu den elementaren Bestandteilen der Architektur: Prozessoren, Caches, Speicher, Datenpfade und Kommunikationsnetze. Eine solche Betrachtung mit einer passenden Modellierung zur Vorhersage von Laufzeit und Energieverhalten fehlt bisher. Ganzheitlich bedeutet auch, dass die Modellbildung nicht isoliert von den Anwendungen passieren darf und eine Verifikation der gefundenen Modelle durch Messung an der Hardware realer Architekturen erfolgen muss. Um dies zu erreichen, verfolgt die Forschungsgruppe folgende Vorgehensweise: (i) Repräsentative Leistungs- und Energiemodelle: Für ausgewählte Anwendungen, die eine Vielfalt von Klassen von realen Rechenlasten repräsentieren, werden quantitative Performanz- und Energiemodelle für eine Reihe von relevanten Architekturen erstellt. Zu den Architekturen gehören klassische HPC-Rechner mit CPUs und GPUs, künftige eingebettete HPC- sowie neue neuromorphe Architekturen. (ii) Validierung der Modelle durch fortgeschrittene Simulation und Messung: Um genaue quantitative Vorhersagen zu treffen, werden neuartige Simulationsansätze entwickelt und angewandt. Diese integrieren die zu entwickelnden Performanz- und Energiemodelle und anspruchsvolle physikalischen Messungen, was der Parameteranpassung und der Validierung zuverlässiger Modelle dient. (iii) Ganzheitlicher Modellierungsrahmen: Die Performanz- und Energiemodelle werden in ein von Chip-, Knoten- bis zur Netzwerkebene reichendes und passende Schnittstellen berücksichtigendes Framework implementiert. Das erlaubt flexibel die Erstellung ganzheitlicher Modelle aus austauschbaren Komponenten. Um ein breites Spektrum von Anwendungsfällen abzudecken, kombiniert das Framework mehrere Techniken wie analytische Modelle, Gray-Box-Modelle und Simulation auf allen Ebenen der Hardware-Architektur. Um diese Ziele zu erreichen, arbeiten in Mod4Comp Experten aus den Gebieten der Rechnerarchitektur, Elektrotechnik, Neuroinformatik, und Parallel-Algorithmen von der FAU Erlangen-Nürnberg, der TU Dresden und des Forschungszentrums Jülich eng zusammen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Analytische Modellierung von Rechenleistung, Leistungsaufnahme und Energie auf Chip-Ebene (Antragsteller Hager, Georg )
• Energie- und Performance-Modellierung des neuromorphen Großrechners SpiNNcloud Teilprojekt SP6 der Forschungsgruppe "Holistic Energy and Performance Modeling for Sustainable Computing (Mod4Comp)" (Antragsteller Mayr, Christian ;  Partzsch, Johannes )
• Experimentelle Energieeffizienzanalysen auf Knotenebene (Antragsteller Nagel, Wolfgang E. ;  Schöne, Robert )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Fey, Dietmar )
• MOdellierung und Simulation von In-Memory Computing auf Chip- und Knotenebene (MOSIC) (Antragsteller Fey, Dietmar )
• Modellierung von Performanz und Energieverbrauch von speichernahen Rechnerarchitekturen für Computer-Vision-Anwendungen (Antragstellerin Goehringer, Diana )
• Modellierung von Rechenleistung und Energieeffizienz für Simulationen gepulster neuronaler Netzwerke für konventionelle Rechnerarchitekturen und Beschleuniger (Antragstellerin Kunkel, Susanne )
• Simulator-Framework für Laufzeit- und Energievorhersage von massiv parallelen Message-Passing-Programmen (Antragsteller Wellein, Gerhard )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Dietmar Fey