Implementierung paralleler präkonditionierter iterativer Gleichungslöser unter Nutzung neuer Kommunikationsmethoden

Die Lösung von komplexen Problemen in der Ingenieurpraxis erfordert häufig Vereinfachungen des betrachteten Systems. Diese Vereinfachungen können sich auf die Abstraktion von Geometrie und Randbedingungen beziehen, die Idealisierung von Werkstoffeigenschaften und dem physikalischen Verhalten oder auf die Definition von Ersatzlasten. Eine analytisch geschlossene Lösung existiert aber oft nur für Sonderfälle und zum Teil nur unter groben Vereinfachungen und unrealistischen Randbedingungen, so dass numerische Verfahren für eine Berechnung zu Hilfe genommen werden. Die Anwendung der Finite-Element-Methode (FEM) wurde in zunehmendem Maße zur Berechnung komplexer Systeme anerkannt und gehört im Bauwesen mittlerweile zum Stand der Technik.

Lineare Gleichungssysteme werden in der Regel mit direkten Verfahren, wie beispielsweise die Verfahren von Gauß und Cholesky, gelöst. Dabei ist der Aufwand bei fehlender Bandstruktur von der Ordnung O(n2). Ab einer gewissen Größe des Gleichungssystems führt dies zu einem Rechenaufwand und auch zu einem Speicherplatzbedarf, der selbst bei modernen Hochleistungsrechnern zu Kapazitätsproblemen führen kann. Darin ist die Entwicklung von effizienteren Lösungsverfahren begründet.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden zur effizienten Lösung numerischer Probleme iterative Verfahren der Gruppe der konjugierten Gradienten vorgestellt. Die Effizienz wird jedoch erst durch eine Transformation des linearen Gleichungssystems erreicht. Diese Transformation wird als Präkonditionierung bezeichnet. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Beschreibung der Präkonditionierer und ihrer Auswertung bezüglich der Rechenbeschleunigung und Stabilisierung der iterativen Verfahren.

Eine schnellere Problemlösung ist auch immer mit einer Kostenersparnis verbunden und somit von großem wirtschaftlichem Interesse. Um eine zusätzliche Leistungssteigerung zu erzielen, werden die Verfahren parallel auf Multiprozessorsystemen angewendet.