Vermeidung redundanter Berechnungen in simulativen Parameterstudien durch Memoisierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Wehrle, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283852788

Für die Entwicklung und Optimierung von Kommunikationssystemen sind Simulationen unverzichtbar. Im Rahmen von Parameterstudien wird ein Modell des betrachteten Systems vielfältig in unterschiedlichen Konfigurationen simuliert, um frühzeitig Aussagen über das Verhalten des untersuchten Systems zu erlangen. Die Laufzeit steigt mit der Komplexität des Modells und der Größe des zu simulierenden Netzwerks im Allgemeinen stärker als linear und wird deshalb oft zum kritischen Flaschenhals für Forschung und Entwicklung.Bislang wurde die Simulationszeit primär durch mehr Rechenleistung (zusätzliche Prozessorkerne und verteilte parallele Simulation) reduziert. Das theoretische Optimum wird hierbei bereits in vielen Fällen nahezu erreicht. Um trotzdem bei stetig steigender Modellkomplexität weitere Verbesserungen vornehmen zu können, müssen grundlegend neue Ansätze zur Reduktion der Simulationslaufzeit gefunden werden.In Vorstudien und aufgrund langjähriger Erfahrung mit der Simulation von Netzwerken konnten wir beobachten, dass in Parameterstudien oft viele komplexe Berechnungen wiederholt durchgeführt werden was eigentlich überflüssig ist. Diese werden leider nicht automatisch erkannt.Hieraus leitet sich die Forschungsfrage dieses Vorhabens ab: Können redundante Berechnungen in Parameterstudien automatisch erkannt und vermieden werden? Falls ja, bis zu welchem Grad? Diese Laufzeitreduktion soll orthogonal bzw. ergänzend zur Parallelisierung erfolgen und bietet ein großes Optimierungspotential, um bei gleicher Rechenleistung noch komplexere und genauere Simulationsmodelle untersuchen zu können.Unser Ansatz zur Vermeidung redundanter Berechnungen basiert auf dem Konzept der Memoisierung (engl.: Memoization). Hierbei werden Ergebnisse einer Berechnung in einem Ergebnis-Cache zwischengespeichert und bei späterem Bedarf direkt verwendet. Dies kann manuell erfolgen, muss dann aber für jedes Simulationsmodell individuell umgesetzt werden; das ist mit hohem Aufwand für die Entwickler verbunden.Ziel dieses Vorhabens ist daher die Untersuchung von Konzepten zur automatisierten Memoisierung. Es werden (1) Methoden zur automatischen Identifizierung komplexer, redundanter Berechnungen, deren Vermeidung vielversprechend erscheint, erforscht und entwickelt, (2) Ansätze konzipiert, die geeignet sind, die identifizierten Code-Stellen so zu memoisieren, dass redundante Berechnungen effizient vermieden werden und (3) Untersuchungen durchgeführt, ob diese Ansätze mit qualitativ hochwertigen, manuellen Memoisierungen vergleichbar sind, so dass Entwicklern der Zugang zu effizienten und automatisierten Werkzeugen ermöglicht wird.Das Forschungsvorhaben wird die Fragen beantworten, ob automatisierte Ansätze zur Memoisierten Simulation (MemoSim) realisierbar sind und wie effizient solche Ansätze arbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen