Computerwissenschaft

Die sind weltweit spitze!

Emily Walton | aus HEUREKA 3/10 vom 09.06.2010

Es kommt der Moment, da piepst der Computer, dann ein Flimmern am Bildschirm und dann wird er blau: The Blue Screen of Death.

Wer Pech hat, verliert alles: Dokumente, Grafiken, Bilder – die ganze Arbeit. „Das ist zwar lästig, aber verglichen mit anderen Computerpannen erscheint so ein Absturz glimpflich“, sagt Roderick Bloem, Computerwissenschaftler an der TU Graz.

Nur zwei Prozent der jährlich verkauften zehn Milliarden Mikroprozessoren werden in PC installiert, in Computer für den Haus- und Bürogebrauch. Die restlichen 98 Prozent sind in unserer globalen Infrastruktur eingebaut – in Handys, auf der Bankomatkarte, im Auto – und lenken den Alltag. Je komplexer diese Computersysteme sind, desto mehr kombinierte Abfragen finden statt und desto fehleranfälliger sind sie.

Fehler in Computersystemen

Wenn eines dieser, für den Endverbraucher meist unsichtbaren, Computersysteme ausfällt, ist das deutlich kritischer, als wenn „nur“ ein paar Dokumente auf dem Laptop verloren gehen: Fällt das Anti-lock Braking System ABS im Auto aus, kostet es Menschenleben. Setzen Programme aus, die die Stromversorgung lenken, entstehen enorme Kosten: Der Schaden eines flächendeckenden Stromausfalls im Nordosten Amerikas 2003 wurde etwa auf 4,5 Milliarden Dollar geschätzt.

Wie kommt es zu Fehlern in Computersystemen? „Es ist nahezu unmöglich, alle Interaktionen und Prozesse, die gleichzeitig in Computerprogrammen auftreten, bei der Programmierung zu berücksichtigen“, sagt Bloem. Der Programmierer schreibt und testet. „Funktioniert die Software hundertmal, geht man davon aus, dass sie auch beim 101. Mal funktionieren wird.“ Diese Vermutung ist nicht immer richtig.

Besonders häufig kommt es zu Fehlern, wenn mehrere Programme gleichzeitig Informationen abrufen wollen. „Kommen vier Autos gleichzeitig an eine Kreuzung, stellt sich die Frage des Vorrangs. Wenn Menschen am Steuer sitzen, finden sie eine Lösung. Computer sind nicht so schlau. Wenn sie nicht sorgfältig programmiert sind, bleiben die vier bis in alle Ewigkeit stehen“, erklärt Bloem. Sind in einem langen Programmcode – jener des aktuellen Windows-Betriebssystems wäre ausgedruckt so lange wie die Strecke Wien-Salzburg – die Vorrangregeln nicht für jede Eventualität geklärt, kommt es zum Crash.

Diese Fehler vermeiden zu helfen, ist die Absicht der Disziplin „Rigorous System Engineering“. „Programmierung ist im Moment eine Kunst, für die man Inspiration wie Da Vinci braucht“, sagt Bloem. Doch künftig sollte Softwareprogrammierung eher zur Wissenschaft werden. Dazu braucht es mathematische Methoden, um stabile Konstruktionen zu schaffen. Wissen, nicht raten, heißt die Devise.

Fehlerforschung in Österreich

Ein neues österreichisches Forschungsnetzwerk plant nun, auf diesem Gebiet der Computerwissenschaft Weltgeltung zu erhalten: Im Cluster „Austrian Rigorous Systems Engineering ARiSE“ bündeln fünf Institutionen und ihre Forscher ihr Wissen: Das Institute of Science and Technology IST Austria mit Thomas A. Henzinger und Krishnendu Chatterjee, die Uni Linz mit Armin Biere, die Uni Salzburg mit Christoph Kirsch, die TU Graz mit Roderick Bloem und die TU Wien mit Helmut Veith, Ulrich Schmidt, Uwe Egly und Laura Kovács.

Ziel ist es, die methodische Fehleranalyse zu optimieren. „Es kann kein universelles Prüfprogramm geben, das wir über jede Software legen“, sagt Thomas Henzinger, Präsident IST Austria in Klosterneuburg. Es müsse unterschiedliche Prüfprogramme für unterschiedliche Anwendungsarten geben. Der Weg zur besseren Fehlervermeidung ist work in progress – mit langen Zeitperspektiven. Schon in den 80ern beschäftigten sich die Forscher Joseph Sifakis und Jean-Pierre Queille in Frankreich sowie Edmund M. Clarke und Allen Emerson in den USA mit „Model Checking.“

Mit dieser Methode sollten Software und Hardware automatisiert analysiert werden. 2007 erhielten die Forscher für ihre Arbeit auf diesem Gebiet den Turing-Preis, eine Auszeichnung vergleichbar mit einem Nobelpreis für Computerwissenschaften. Seit 2000 kommt die Model-Checking-Technik in der Industrie zum Einsatz.

Prozessoranbieter wie Intel oder IBM arbeiten mit Entwicklungen, die auf Hardware zugeschnitten sind. „Hardware ist deutlich weniger komplex als Software“, sagt Henzinger.

Zur Gründung von ARiSE waren Turing-Preisträger Joseph Sifakis und weitere bedeutende Forscher auf diesem Gebiet bei einem Symposion am IST. „Es geht nicht nur um mathematische Methoden zur Softwareprogrammierung, sondern auch um die Auswirkungen der Informatik-Grundlagenforschung auf andere Gebiete“, sagt Henzinger.

Biologische Zellen sind Computerprogrammen nicht unähnlich: So bestehen etwa kausale Zusammenhänge in der Zelle – und Zellen interagieren. Die mathematischen Methoden zur Programmentwicklung könnten daher auch angewandt werden, um Signale in Zellen zu verstehen. So sprach etwa David Harel vom israelischen Weizmann Institut über „How can we computerize an elephant?“.

ARiSE will Spitzenforscher nach Österreich bringen. Der international renommierte österreichische Computerwissenschaftler Helmut Veith ist gerade an die TU Wien berufen worden und spricht von einem „Reverse Brain Drain“. Zwei der drei Österreicher im ARiSE-Netzwerk waren ebenso wie die Nichtösterreicher im Team noch bis vor Kurzem im Ausland tätig: Aus Berkeley, Lausanne, Zürich, München oder Colorado kamen sie nach Österreich, um hier Rigorous Systems Engineering voranzutreiben. Ein Forschungsfeld mit Zukunft: Es gibt ein neues Max-Planck-Institut in Deutschland und eine junge Einrichtung in Madrid.

Das österreichische Netzwerk hat einen Vorsprung gegenüber den europäischen Kollegen: Man hat schon Erfahrung in der Zusammenarbeit.

Mit ARiSE zur Weltgeltung

„Unsere Gruppe ist organisch gewachsen“, sagt Veith. „Wir forschen und publizieren seit Jahren gemeinsam und haben auch schon Konferenzen organisiert.“ Durch die Gründung von ARiSE bekommt die Zusammenarbeit einen Namen.

Das durchschnittliche Alter der ARiSE-Mitglieder beträgt vierzig Jahre. Sie arbeiten in der Grundlagenforschung ebenso wie an der Ausbildung des Nachwuchses und an der Kommunikation des Fachgebietes.

Viermal im Jahr wollen sie einander persönlich treffen, manche im Netzwerk haben einen Jour Fixe: So halten Henzinger und Veith jeden Dienstag gemeinsam mit ihren Gruppen ein Forschungsseminar ab – abwechselnd an der TU Wien und am IST.

Auch im Netzwerk bleibt die inhaltliche Unabhängigkeit der einzelnen Forschungsprojekte bestehen. Man arbeitet nach wie vor in erster Linie für die eigene Uni. „Doch Wissenschaft ist immer eine Form der Weiterentwicklung, sie ist aufbauend. Wir müssen uns also austauschen“, erklärt Henzinger. Er hält Zusammenarbeit für einen Schlüsselfaktor in der Wissenschaft. „Bloß im Einzelfall ist es anders, etwa wenn es um eine bahnbrechende, nobelpreiswürdige Erfindung geht.“

Den Gedanken des Austauschs forciert er auch bei seinen PhD-Studenten, die er in das ARiSE-Programm einbindet. „Für den Erfolg eines Forschers zählt die Qualität. Es ist besser, ein gutes Ergebnis mit viel Kooperation zu erzielen, als ein mittelmäßiges Ergebnis im Alleingang.“

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