Forschung zur Vorhersage von Programmlaufzeiten

Zu wissen wie lange ein Programm benötigt, um seine Berechnungen durchzuführen, ist für viele Anwendungen von zentraler Bedeutung. Nur mit diesem Wissen kann man garantieren, dass zeitkritische Systeme in Autos, Flugzeugen oder Industrieanlagen rechtzeitig reagieren. Die Architektur des Rechners, auf dem eine Software läuft, ist für die Laufzeit von Programmen und deren Analyse sehr wichtig. Wie wichtig genau, hat ein Team von Informatikern der Universität des Saarlandes um Professor Reinhard Wilhelm im Jahr 2003 gezeigt – und wurde dafür nun auf der weltweit größten Konferenz für Echtzeitsysteme mit einem Test-of-Time Award ausgezeichnet.

Die ausgezeichnete Arbeit unter dem Titel "The Influence of Processor Architecture on the Design and the Results of WCET Tools" veröffentlichte Reinhard Wilhelm gemeinsam mit seinen Kollegen Reinhold Heckmann, Marc Langenbach und Stephan Thesing vor knapp 20 Jahren im Journal "Proceedings of the IEEE", das von der weltgrößten Ingenieursvereinigung, dem "Institute for Electrical and Electronic Engineers", herausgegeben wird. "In dieser Arbeit haben wir untersucht, wie die Rechnerarchitektur die Laufzeit von Programmen beeinflusst – und wie man dementsprechend die Tools zur Berechnung der Programmlaufzeit anpassen muss", erklärt der seit 2014 emeritierte Professor der Universität des Saarlandes.

Die Arbeit der Saarbrücker Informatiker hatte großen Einfluss auf die Forschung. Durch den Aufsatz erhielt das Forschungsfeld der sogenannten ‚Timing Predictability‘, in dem die Rahmenbedingungen erforscht werden, anhand derer die Laufzeit eines Programms vorhergesagt werden kann, einen entscheidenden Schub. "Zwar gab es schon vor unserem Papier Arbeiten in diesem Bereich. Die glichen aber eher Wunschlisten, wie man sich eine optimale Rechnerarchitektur zur Vorhersage der Programmlaufzeit vorstellt. Wir hatten bereits sehr erfolgreiche Werkzeuge zur Zeitvoraussage für mehrere Architekturen entwickelt und konnten uns deshalb auf einen reichhaltigen Erfahrungsschatz aus der Praxis berufen und ganz konkret Unzulänglichkeiten damaliger Rechnerarchitekturen benennen, besonders gut funktionierende Prozessoren herausstellen und so Empfehlungen für die herstellende Industrie aussprechen", sagt Reinhard Wilhelm.

So groß der Einfluss auf die Forschung war, der durchschlagende Erfolg in der Industrie blieb aus, weil zeitkritische Systeme keinen dominierenden Anteil im Prozessormarkt beanspruchen. "Kurioserweise beruhen heutzutage zwei der bekanntesten durch Hardware bedingten Sicherheitslücken der letzten Jahre, Spectre und Meltdown, auf denselben Ursachen, die wir schon vor knapp 20 Jahren als problematisch für die Vorhersage von Programmlaufzeiten identifiziert haben – vielleicht waren wir einfach nur zu früh?", sagt Reinhard Wilhelm.

Der Test-of-Time Award des "IEEE Technical Committee on Real-Time Systems (TCRTS)" wurde am 9. Dezember auf dem 42. "IEEE Real-Time Systems Symposium (RTSS)", der weltweit größten Konferenz zu Echtzeitsystemen, vergeben. Mit dem Preis werden Arbeiten im Forschungsfeld der Echtzeitsysteme gewürdigt, die einen besonders nachhaltigen Einfluss hinterlassen haben.

Originalpublikation:

R. Heckmann, M. Langenbach, S. Thesing and R. Wilhelm, "The influence of processor architecture on the design and the results of WCET tools," in Proceedings of the IEEE, vol. 91, no. 7, pp. 1038-1054, July 2003, doi: 10.1109/JPROC.2003.814618.; https://ieeexplore.ieee.org/document/1215685