Prof. Dr. Peter Sanders - DFG

Forschungsschwerpunkte – Professor Peter Sanders
Die Arbeitsgruppe von Peter Sanders schließt Lücken zwischen Theorie und Praxis in der
Algorithmenforschung und ist damit in international angesehenen akademischen Zeitschriften
und Konferenzen ebenso gern gesehen wie bei Industrieunternehmen wie Google, SAP,
Microsoft oder BMW. Algorithmen (Handlungsvorschriften zur systematischen Lösung eines
Problems) sind die Grundlage der Programmierung von Computern und damit eine Schlüsseltechnologie
für die Informationsgesellschaft. Wichtige Errungenschaften wie die Entschlüsselung
des menschlichen Genoms oder die Verfügbarkeit des Wissens der Menschheit
über Suchmaschinen sind maßgeblich auf effiziente Algorithmen zurückzuführen. In den
vergangenen Jahrzehnten hatten sich in der Algorithmenforschung viele Lücken zwischen
Theorie und Praxis aufgetan. Während die Algorithmentheorie auf der Suche nach mathematisch
beweisbaren Ergebnissen Besonderheiten der Anwendungen oder wichtige Aspekte
moderner Rechner oft vernachlässigte, entstanden in vielen Anwendungsgebieten Ad-hoc-
Lösungen mit unklaren Eigenschaften. Peter Sanders Arbeitsgruppe überbrückt diese Lücken
mittels der Methodik des Algorithm Engineering, die realistische Modellierung, praxisorientierten
Algorithmenentwurf, mathematische Analyse, ausgefeilte Implementierung und
ausführliche experimentelle Evaluierung zu einem Prozess zusammenfasst, der an die wissenschaftliche
Methode der Naturwissenschaften erinnert. Im Folgenden werden einige Beispiele
erläutert.
Die „Basic Toolbox“: Bestimmte algorithmische Techniken wie Sortieren, Organisation einer
Menge von Elementen zum schnellen Auffinden von Daten oder prioritätsgesteuerte Bearbeitung
(Prioriätslisten) werden in fast allen nichttrivialen Computerprogrammen benötigt. Die
Arbeitsgruppe von Peter Sanders hat hier Weltrekorde bei der Energieeffizienz und bei der
effizienten Handhabung riesiger Datenmengen (bis zu 100 Terabyte) erzielt. Eine besondere
Herausforderung ist dabei die Organisation von Datenbewegungen zwischen verschiedenen
Ebenen von Computerspeichern (Festplatte, Flash-Speicher, RAM, Prozessor-Caches). Dies
ist insofern spannend, weil die eigentlichen Berechnungen (Additionen, Multiplikationen
u. a.), die traditionell im Vordergrund algorithmischer Überlegungen standen, kaum mehr ins
Gewicht fallen.
Routenplanung: Routenplaner im Internet oder auf Mobilgeräten sind eine Paradeanwendung
der Informatik und helfen, nach Studien, bis zu 20 Prozent Fahrzeit und Energie zu
Forschungsschwerpunkte – Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis 2012
Professor Peter Sanders
Stand Januar 2012
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sparen. Da das Lehrbuchverfahren (Dijkstras Algorithmus) zu langsam ist, behalf sich die
Industrie in der Vergangenheit mit Heuristiken, die keine optimalen Wege garantieren, aufwändige
manuelle Aufbereitung der Daten erfordern und trotzdem oft quälend langsam sind.
Ausgehend von seinen Erfahrungen mit grundlegenden Algorithmen zur Verarbeitung von
Netzwerken hat Peter Sanders Routenplanungsverfahren entwickelt, die sehr schnell sind,
optimale Lösungen garantieren und vollautomatisch arbeiten. Seine Verfahren nutzen aus,
dass Straßennetze eine hierarchische Struktur haben – die Mittelstücke optimaler Routen
bestehen immer wieder aus den gleichen Straßen. Während die Basisverfahren inzwischen
breit industriell eingesetzt werden, forscht die Gruppe von Peter Sanders an Verallgemeinerungen,
zum Beispiel Berücksichtigung von Staumeldungen, Energieverbrauch oder öffentlichen
Verkehrsmitteln. Auch weitere Anwendungen wie Logistikoptimierung, Vermittlung von
Mitfahrgelegenheiten oder Verkehrssimulation spielen eine Rolle.
Suchmaschinen und Datenbanken: Entscheidend für die Erschließung großer Datenmengen
(zum Beispiel Webseiten, Textsammlungen, Unternehmensinformationssysteme, Gendatenbanken,
geografische Informationssysteme) sind Indexdatenstrukturen, die den schnellen
Zugriff auf alle Daten ermöglichen, in denen bestimmte Suchmuster auftauchen. Im Grunde
ist dies eine Fortsetzung der Karteikästen und Stichwortverzeichnisse aus der Vor-
Computer-Zeit, jedoch mit den Möglichkeiten moderner Technologie und neuen Herausforderungen
durch die gewaltigen involvierten Datenmengen. Peter Sanders hat hier mehrere
grundlegende Ergebnisse erzielt. Zum Beispiel hat er ein besonders effizientes Verfahren zur
Berechnung von sogenannten Suffix-Tabellen entwickelt, die die schnelle Suche beliebiger
Muster in Textsammlungen ermöglichen. Auch bei der Auswertung typischer Suchmaschinenanfragen,
bei der alle Dokumente gesucht werden, die eine vorgegebene Liste von
Schlüsselwörtern enthalten, ist sein Ansatz die schnellste bekannte Lösung. Gegenwärtig
beschäftigt er sich mit Indexen, die auch bei Schreibfehlern noch funktionieren (zum Beispiel
bei Adressangaben) sowie mit einer neuen Technologie für Unternehmensdatenbanken, die
klassische Datenbankanfragen (SQL) um Größenordnungen beschleunigen könnten.
Parallelverarbeitung: Über Jahrzehnte hinweg haben Computer in kurzen Zeitabständen ihre
Rechengeschwindigkeit verdoppelt. Aus fundamentalen technologischen Gründen ist diese
Zeit vorbei und Leistungssteigerung lässt sich vor allem durch den parallelen Einsatz vieler
Hardwarekomponenten (zum Beispiel Prozessoren oder Speichermodule) erreichen. Peter
Sanders beschäftigt sich auch hier mit dem grundlegenden Werkzeugkasten an Algorithmen.
Neben parallelen Versionen der klassischen „basic toolbox“ sind dies grundlegende Kommunikationsmuster
zwischen Rechnern und Lastverteilungsmethoden zur gleichmäßigen Auslastung
aller Hardwarekomponenten. Ein überraschendes Ergebnis ist zum Beispiel das Fol-
Forschungsschwerpunkte – Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis 2012
Professor Peter Sanders
Stand Januar 2012
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Forschungsschwerpunkte – Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis 2012
Professor Peter Sanders
Stand Januar 2012
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gende: Man speichert jeweils zwei Kopien aller Datenobjekte an zufälligen Orten (Rechner,
Festplatten oder Speichermodule). Anschließend können beliebige Teilmengen dieser Objekte
unter fast perfekt gleichmäßiger Auslastung aller Komponenten parallel verarbeitet
werden.
Zwischen den oben beschriebenen vielfältigen Themen gibt es immer wieder unerwartete
Querverbindungen. Zum Beispiel liefert eine Uminterpretation der oben beschriebenen zufälligen
Lastverteilung einen Ansatz für besonders platzsparende Indexdatenstrukturen. Ein von
Peter Sanders entwickeltes Verfahren zur Zerlegung von Netzwerken in ungefähr gleich große,
kompakte Stücke (Graphpartitionierung) eignet sich sowohl zur Verbesserung bestimmter
Routenplanungsverfahren als auch zur Lastverteilung bei komplexen numerischen Simulationen
auf Superrechnern. Umgekehrt helfen Strategien zur Hierarchieextraktion aus der
Routenplanung bei der Graphpartitionierung.
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