Analytische Modellierung von Rechenleistung, Leistungsaufnahme und Energie auf Chip-Ebene

• Antragsteller: Dr. Georg Hager
• Fachliche Zuordnung: Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme ; Hardwaresysteme und -architekturen für die Informationstechnik und die Künstliche Intelligenz, Quantentechnische Systeme
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545776403

Das Projekt innerhalb der Mod4Comp-Forschergruppe zielt auf die Entwicklung umfassender analytischer First-Principles-, Grey- oder White-Box Performance- und Energiemodelle für die betrachteten Knotenarchitekturen. Dazu gehören Standard-Multicore-Server-CPUs, modernste Hochleistungs-GPUs, stromsparende eingebettete CPUs und In-Memory-Computing-Geräte. Analytische First-Principles-Modelle für Rechenleistung und Energieverbrauch sind vereinfachte mathematische Beschreibungen der Wechselwirkungen zwischen Hardware und Software, ähnlich dem bekannten Roofline-Modell. Sie erfordern ein Maschinenmodell für relevante Merkmale der Hardware und ein Anwendungsmodell, das beschreibt, wie die Anwendung die Ressourcen der Maschine nutzt, um das numerische Problem zu lösen. Beide werden vereint, um Vorhersagen über die Ressourcennutzung, z.B. die Laufzeit oder Energieverbrauch, zu erhalten. Der große Vorteil von First-Principles-Modellen ist, dass sie auf Annahmen über die Eigenschaften der Interaktion zwischen Hardware und Software beruhen: Wenn das Modell auf bestehender Hardware validiert werden kann, kann man sicher sein, dass es auch für die Beschreibung neuer, noch nicht existierender Hardware geeignet ist. Falls das Modell nicht validiert werden kann, d.h. wenn seine Vorhersagen zu weit von Messungen abweichen, kann es ggf. verfeinert werden. In jedem Fall werden wertvolle Erkenntnisse über die vorherrschenden Flaschenhälse gewonnen. Im Rahmen dieses Projekts werden existierende Execution-Cache-Memory (ECM), Kommunikations- und Verlustleistungsmodelle erweitert und validiert. Dies erfordert umfangreiches Mikrobenchmarking und Messungen zur Festlegung von Parametern und zur Validierung, wofür eine intensive Zusammenarbeit mit anderen SPs erforderlich ist, weil diese Teilprojekte eng mit unkonventioneller Hardware bzw. mit detaillierten Messungen befasst sind. Für die Performancemodellierung wird die bisher abgedeckte Gruppe von Architekturen stark erweitert und die Rolle von Überlapp- und Latenzeffekten in der Speicherhierarchie auf einem Spektrum von Hardware-Plattformen quantifiziert. Das zuvor von der Gruppe entwickelte phänomenologische Energiemodell wird erweitert: Das bestehende Modell wird in Richtung neuer Hardware verfeinert und es wird ein mikroskopisches Modell entwickelt, das quantitative Vorhersagen auf der Grundlage des Energieumsatzes elementarer Operationen erlaubt. Sowohl Performance- als auch Energiemodelle werden eingebettet in eine klar definierte Methodik, die leicht an zukünftige Hardware angepasst werden kann. Die verfeinerten Modelle werden direkt und kontinuierlich in das entwickelte Simulator-Framework Eingang finden. Als weiterer Beitrag zum Tooling-Ökosystem wird das Teilprojekt die populären LIKWID-Tools um die Unterstützung externer Datenquellen erweitern, um sie mit Hardware kompatibel zu machen, die keinen einfachen Zugang zu relevanten Performance- und Energiedaten erlaubt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5880: Ganzheitliche Energie- und Leistungsmodellierung für nachhaltiges Rechnen (Mod4Comp)