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02.09.1994

MPP-Rechner draengen in kommerzielle Bereiche

Nach mehr als 40jaehrigem Forschungsdasein befinden sich nun die Parallelrechner (MPP = Massively Parallel Processing) an der Schwelle zur breiten Akzeptanz, unterstuetzt von grossen Herstellern wie AT&T, DEC, Fujitsu, Hitachi, IBM, HP, NEC, Tandem und Unisys. Hochskalierbare MPP-Systeme sind bald die gaengige Plattform fuer nahezu alle grossen und komplexen Anwendungen. Von Wolfgang Gentzsch*

Die neuen MPP-Rechner werden von Generation zu Generation leichter zu benutzen sein und damit neue Maerkte in technischen wie in kommerziellen Bereichen erschliessen. MPP-Systeme ersetzen dann die traditionellen Rechner, da sie bald mit einem wesentlich besseren Preis-Leistungs-Verhaeltnis aufwarten koennen als existierende Technologien.

Sie werden aber auch einen Quantensprung in der Rechenleistung bieten und Probleme loesen helfen, die andernfalls ueberhaupt nicht zu realisieren waeren. Solche Probleme sind beispielsweise der Treibhauseffekt auf unserer Erde, die Genforschung (etwa Erkennen und Heilen von Erbkrankheiten) sowie das systematische Durchforsten riesiger Kundendateien zum Optimieren von Marketing- Aktionen oder das genaue Modellieren von Wirtschaftsentwicklungen.

Nach einer etwa 40jaehrigen Forschungs- und Entwicklungszeit stehen nun die Parallelrechner an der Schwelle eines neuen Zeitalters im technisch-wissenschaftlichen und im kommerziellen Hochleistungsrechnen. Ihre Akzeptanz bei den Benutzern wird in der naechsten Zeit gewaltig ansteigen, zunaechst mehr bei technischen und wissenschaftlichen Anwendungen, etwas spaeter auch bei kommerziellen Anwendungen.

Wie bei den Vektorrechnern vor knapp 20 Jahren verzoegert sich die Einfuehrung der Parallelrechnertechnologie bis heute durch das Unvermoegen der meisten Benutzer, diese Rechner fuer ihre Anwendungen effizient einzusetzen. Unterschiedliche parallele Rechnerarchitekturen machen das Problem nicht leichter: Enggekoppelte, sogenannte Shared-Memory-Multiprozessorsysteme (SMPs), besitzen derzeit maximal 64 Prozessoren wie etwa der Superserver 6400 von Cray Research.

Groesseres Sterben ist schon programmiert

Integrierte Distributed-Memory-Systeme (DMPs) bestehen aus unabhaengigen Prozessoren mit eigenem Speicher, die gewoehnlich durch ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk untereinander verbunden sind. Beispiele sind IBMs SP-2, Intels Paragon, Parsytecs Power GC und Thinking Machines CM-5.

Eine Kombination aus den beiden ersten Gruppen sind DMPs, die anstelle der Prozessoren enggekoppelte SMP-Systeme besitzen. AT&Ts 3600er und IBMs Parallel Transaction Server gehoeren dazu. Unter Cluster oder Farmen versteht man unabhaengige Rechner, die entweder durch relativ langsame LANs oder WANs untereinander verbunden oder in sogenannten Racks montiert sind. Laufen alle Rechner eines Clusters unter demselben Betriebssystem, so nennt man es homogen, andernfalls heterogen.

Unter den MPP-Rechnern gibt es Spezialsysteme, deren Hard- und Software auf spezielle Anwendungen zugeschnitten sind, etwa der DBC-Rechner von Teradata/AT&T, der extra fuer Entscheidungshilfe- Anwendungen (Decision-Support) entwickelt wurde. Weitere Spezialsysteme gibt es unter anderem von Data-Cache, IBM, Maspar, Thinking Machines und White Cross.

Parallelrechner lassen sich aber auch bezueglich ihres Einsatzes klassifizieren. Viele der heute auf dem Markt angebotenen Systeme sind reine Parallelrechner: Eine Anwendung zerlegt man in mehrere Teilaufgaben, die dann auf verschiedenen Prozessoren simultan (parallel) ausgefuehrt werden. Solche Aufgaben, bei denen vor allem die Turnaround-Zeit drastisch reduziert ist, findet man heute vor allem in der Computersimulation technischer Applikationen und im kommerziellen Bereich (z. B. Decision-Support-Systeme = DSS), wo kurze Antwortzeiten ganz besonders wichtig sind.

Andere Rechner wiederum sind auf Durchsatz optimiert. Hier verteilen sich mehrere Jobs auf verschiedene Prozessoren, so dass in kuerzester Zeit eine moeglichst grosse Zahl von Jobs bearbeitet wird. Schliesslich gibt es eine Klasse von parallelen Systemen, die eine besonders hohe Verfuegbarkeit beziehungsweise Fehlertoleranz aufweisen. Dazu sind im wesentlichen wichtige Hardwarekomponenten mehrfach vorhanden, um im Falle einer Stoerung sofort eine entsprechende Ersatzkomponente bereitzustellen. Inzwischen bieten mehr als 30 Firmen MPP-Systeme an, und mindestens zehn weitere planen ihren Markteintritt in den naechsten zwei Jahren. Da der Markt in diesem kurzen Zeitraum sicher nicht alle Hersteller aufnehmen kann, ist damit ein groesseres Sterben vorprogrammiert, das gerade im Moment wieder ein prominentes Opfer gefunden hat: Thinking Machines Corp.

Allein in den letzten zwoelf Monaten haben sechs Hersteller das Handtuch geworfen, unter ihnen so renommierte Firmen wie AT&T Federal Systems und Motorola. Dieses Szenario erinnert sehr an die Minisupercomputer-Industrie Mitte der 80er Jahre. Von den etwa 20 Firmen, die damals um Marktanteile kaempften, sind nur Convex und Cray uebriggeblieben!

Nun gibt es aber einen grossen Unterschied zwischen dem Minisupercomputermarkt der 80er Jahre und dem MPP-Business

von heute. Minisupercomputer adressierten nur den kleinen Markt der rechenintensiven Anwendungen. MPP-Systeme dagegen eignen sich fuer fast jede Art von Berechnungen. Da die Systeme skalierbar und flexibel und bis zu hoechsten Rechenleistungen (bei hoher Verfuegbarkeit) erweiterbar sind, werden MPP-Systeme innerhalb der naechsten zehn Jahre den ganzen High-Performance-Computing-Markt erobern.

Viele Gruende sprechen fuer einen Erfolg der MPP-Systeme in den naechsten Jahren: Technologische Fortschritte haben inzwischen viele der Barrieren ueberwunden, die bisher ein schnelles Portieren von Anwendungen auf MPP-Systeme verhindert haben.

Benutzeroberflaechen ermoeglichen inzwischen ein transparentes Arbeiten mit der darunterliegenden Rechnerarchitektur. Die grossen Hersteller wie IBM, Cray Research oder Convex betreten den MPP- Markt. Mehr und mehr Softwarehersteller unterstuetzen MPP- Plattformen mit parallelen Anwendungen. Die Akzeptanz des Client- Server-Modells waechst.

Nationale und europaeische Programme unterstuetzen die Entwicklung und Portierung von Applikationen auf MPPs. MPPs werden immer zuverlaessiger. Grosse Herausforderungen aus Technik, Wissenschaft und Umwelt sind nur mit Hilfe von MPP-Systemen loesbar. Viele dieser Gruende scheinen in den naechsten ein bis zwei Jahren zu konvergieren.

Besonders die technologischen Fortschritte der letzten Jahre beschleunigen diesen Prozess: Standard-Miniprozessoren bieten den MPPs dieselben Vorteile wie den Arbeitsplatzsystemen: niedrige Kosten durch die Massenproduktion, hohe Leistungen aufgrund der Halbleiterentwicklung und kontinuierliche Weiterentwicklung durch hohe Investitionen in diese Technologie.

Von besonderer Bedeutung: Relationale Datenbanken

Neue parallele Benutzerumgebungen ermoeglichen ein anwenderfreundliches Entwickeln beziehungsweise Portieren von Applikationen fuer MPP-Systeme. Solche Oberflaechen wie Express, Linda, PVM oder Parmacs sind inzwischen auf nahezu allen parallelen und verteilten Systemen implementiert und erlauben ein einfaches Portieren einer parallelen Anwendung von einem zum anderen System.

Das Aufkommen des Shared-Memory-Modells laesst in den Augen der Benutzer auch Distributed-Memory-Systeme wie Shared-Memory-Systeme aussehen. Da das Programmieren von Shared-Memory-Systemen den meisten Benutzern vertrauter ist, lassen sich solche Systeme leichter programmieren. Von besonderer Bedeutung sind ausserdem die anwendungsorientierten Benutzerumgebungen, hier insbesondere die relationalen Datenbank-Management-Systeme (RDBMS), die inzwischen auch auf MPP-Plattformen verfuegbar sind. Hier sind vor allem die vier populaersten zu nennen: DBZ, Informix Online Dynamic Server, Oraclet und Sybase Navigator fuer OLTP- und DSS-Anwendungen.

Wie bisher auch bereiten die Benutzer ihre Anwendungen mit den vertrauten SQL- oder 4GL-Befehlen vor, ohne die speziell zugrundeliegende Hardware beruecksichtigen zu muessen. Mit Ausnahme der Hersteller Tandem, der schon 1974 mit einem fehlertoleranten MPP-System auf den Markt kam, und AT&T mit ihrem DSS-Server hatte bis Anfang 1993 noch kein groesserer Computerhersteller ein kommerzielles MPP-Produkt im Angebot.

Inzwischen hat sich diese Situation vollstaendig veraendert. Fast jeder groessere Computerhersteller mit einem Umsatz von mehr als einer Milliarde Dollar bietet inzwischen MPP-Systeme an oder hat dies zumindest fuer die naechste Zukunft avisiert.

Keiner anderen MPP-Ankuendigung der letzten Zeit wird allerdings eine so grosse Bedeutung beigemessen wie der von IBMs Parallel Sysplex. Big Blue demonstriert damit deutlich, dass auch seine Mainframes in Zukunft Parallelrechner sind. Der drittgroesste Mainframe-Hersteller, Hitachi, will die IBM-Technologie fuer seine eigene Mainframe-Produktion in Lizenz uebernehmen.

Obwohl das Mainframe-Geschaeft abnimmt, handelt es sich immer noch um einen 50-Milliarden-Markt, der nicht so schnell verschwinden wird. Die Frage ist also nicht, ob MPP-Systeme die traditionellen Mainframes verdraengen, sondern wann. Mit dem Eintritt der grossen Hersteller ins MPP-Geschaeft springen nun auch zahlreiche Softwareschmieden auf den MPP-Zug auf.

Gleichzeitig mit der Ankuendigung der SP-2 im April 1994 verkuendete IBM stolz die Unterstuetzung von 65 Softwarefirmen, die Anwendungen fuer IBM entwikkeln. Das ist mehr, als alle anderen MPP-Hersteller zusammen bis dahin vorweisen konnten.

Ausserdem betonten die Grossen ihre neue Strategie, den Kunden vollstaendige Loesungen anzubieten, wovon insbesondere MPP-Systeme profitieren duerften. Durch das Buendeln der Hardware mit Software und Dienstleistungen wird so die Aversion der Kunden gegenueber neuen Technologien abgebaut.

Viele MPP-Systeme sind heute binaerkompatibel zu Arbeitsplatzrechnern, die die gleichen Mikroprozessoren verwenden. Damit laufen prinzipiell alle Applikationen, die urspruenglich fuer Desktop-Systeme entwickelt wurden, auch auf den kompatiblen MPP- Systemen.

Zum Beispiel ist jede Anwendung fuer HP/UX automatisch auf der Convex Exemplar einsetzbar, die mit HPs PA-RISC-Prozessor arbeitet. Damit stehen dem Exemplar-Benutzer mehrere tausend Applikationen zur Verfuegung. Dass sie zunaechst nur auf einer CPU laufen, ist dabei zweitrangig, solange die Rechenleistung stimmt.

Die MPP-Systeme passen ideal in das Client-Server-Konzept der 90er Jahre. Ueblicherweise werden in einer Client-Server-Umgebung verschiedene Server fuer verschiedene Aufgaben benoetigt. Dagegen kann ein einzelner MPP-Rechner aufgrund seiner Skalier- und Partitionierbarkeit diese verschiedenen Aufgaben allein bewaeltigen.

Foerderprogramme steigern die Akzeptanz

Nationale und internationale Foerderprogramme unterstuetzen ebenfalls erheblich die MPP-Akzeptanz. In den USA stehen im Rahmen der HPCC-Initiative (High Performance Computing and Communications) jaehrlich mehrere hundert Millionen Dollar fuer MPP- Projekte zur Verfuegung.

In Europa wird neben den bestehenden Esprit-Projekten der Europaeischen Kommission gerade das Framework-4-Programm aufgesetzt, in dessen Rahmen waehrend der naechsten fuenf Jahre fast zwei Milliarden Mark allein fuer HPCN-Projekte geplant sind (das "N" steht fuer Networking).

Japan besitzt sein Real-World-Computing-Programm, und sogar China und Indien haben mit staatlicher Finanzierung MPP-Systeme entwickelt. Ein weiterer Grund fuer den Erfolg der MPP-Systeme ist der Wunsch (und zum Teil auch die Notwendigkeit), die grossen Herausforderungen beziehungsweise Grand Challenges der Menschheit zu loesen. Es ist unbestritten, dass dies nur mit massiv-parallelen Tflops-rechnern moeglich sein wird.

Nach einer Studie der Palo Alto Management Group (PAMG) wird der MPP-Markt weltweit in den naechsten Jahren um 41,3 Prozent pro annum wachsen, von 1,5 Milliarden Dollar 1993 auf 8,5 Milliarden Dollar 1998. Obwohl dieser Anstieg im Vergleich zur bisherigen Entwicklung zunaechst sehr hoch erscheint, laesst er sich doch aufgrund der oben aufgefuehrten (konvergierenden) Erfolgsfaktoren sehr gut begruenden. Nach PAMG ist diese Prognose sogar eher konservativ gehalten. Angenommen, die MPP-Systeme uebernaehmen in diesem Zeitraum nur 20 Prozent des Mainframe-Markts, was wiederum eine eher konservative Einschaetzung ist, so ergaebe dies einen Zehn-Milliarden-Dollar Markt.

Es ist davon auszugehen, dass allein die Enterprise-Server, also alle Systeme zum Preis von 150 000 Mark und mehr, ueber 90 Prozent des Marktes ausmachen, wovon den groessten Teil die mittleren Systeme bilden, die unter eine Million Dollar kosten. 90 Prozent der Systeme haben weniger als 128 Prozessoren. Etwa die Haelfte des Marktes entsteht durch MPP-Systeme mit 17 bis 64 Prozessoren. Auf Grand-Challenge-Systeme duerften nur etwa zehn Prozent entfallen.

Die PAMG-Studie sagt ausserdem einen Anteil von 67 Prozent fuer kommerzielle Applikationen voraus, waehrend nur 33 Prozent durch technisch-wissenschaftliche Anwendungen abgedeckt werden. Solche Unterscheidungen gestalten sich ueber laengere Zeitraeume jedoch recht schwierig, da MPP-Systeme mehr und mehr fuer die verschiedensten Bereiche eingesetzt werden.

Gewinner und Verlierer

Heute setzt man die meisten MPP-Systeme fuer technisch- wissenschaftliche Anwendungen, fuer OLTP und fuer DSS ein. Hinzu kommen in Zukunft jedoch neue Bereiche, beispielsweise Finanzen und Transport. Neben der Forschung und Entwicklung wird aber insbesondere der Produktionssektor selbst kuenftig mehr und mehr MPP-Systeme fuer technische und kommerzielle Applikationen nutzen und sich damit zum fuehrenden MPP-Marktsegment entwickeln.

Die Grafik auf Seite 39 zeigt die Marktanteile einzelner MPP- Hersteller im Jahr 1993. Genannt sind alle Unternehmen mit einem Umsatz von mindestens 25 Millionen Dollar. Acht Hersteller teilen sich mit zusammen 1,25 Milliarden Dollar etwa 84 Prozent des Weltmarkts. 17 Firmen mit einem MPP-Umsatz zwischen drei und 25 Millionen Dollar bilden weitere 200 Millionen, waehrend die letzten 40 Millionen von zahlreichen kleinen Unternehmen in der ganzen Welt kommen. Die Tabelle auf Seite 40 listet in drei Kategorien die wichtigsten MPP-Hersteller auf. In den naechsten zwei bis drei Jahren ist davon auszugehen, dass neue Firmen den MPP-Markt betreten.

Vorerst wird der MPP-Markt noch nicht alle Hersteller aufnehmen koennen. Deshalb ist in den naechsten Jahren sicher mit einigen Konkursen beziehungsweise Fusionen zu rechnen. Zum Ueberleben sind einige wichtige Kriterien vorausgesetzt, etwa ein dickes finanzielles Polster, etablierte Marktpraesenz und/oder eine grosse installierte Basis, staatliche Unterstuetzung sowie neueste (einzigartige) Technologie, die bezueglich ihrer Leistung und ihres Preises Wettbewerbsfaehigkeit garantiert. Wie jedoch das Beispiel Thinking Machines zeigt, bedeutet selbst die Erfuellung mehrerer der genannten Kriterien ueberhaupt noch keine Ueberlebensgarantie!

Kaum ein Hersteller wird mit MPP-Systemen merkliche Gewinne erzielen, solange nicht die Verkaufszahlen drastisch ansteigen und ein kraeftiger "Shake-Out" die schwaecheren Hersteller vom Markt genommen hat. Dies duerfte in etwa drei bis vier Jahren der Fall sein. Erst danach koennen die Ueberlebenden mit groesseren Gewinnen in diesem Markt rechnen.

Mit dem staerkeren Anwachsen des MPP-Markts geht einher ein grosses Absatzvolumen fuer vielfaeltige MPP-Software und -Dienstleistungen - ein Bereich, auf den sich in Deutschland etwa die Firma Genias konzentriert hat. Diejenigen, die wie Oracle zu einem fruehen Investment bereit waren, duerften langfristig zu den Gewinnern zaehlen.