Frances Allen (1932–2020) war eine US-amerikanische Informatikerin und Pionierin auf dem Gebiet der Compilertechnik. Sie entwickelte fundamentale Algorithmen zur automatischen Programmoptimierung und Parallelisierung. Für ihre methodischen Grundlagenarbeiten zur statischen Code-Analyse erhielt sie 2006 als erste Frau den Turing Award.
Auf einer abgelegenen Farm im Norden des Bundesstaates New York wuchs ein Mädchen auf, dessen Alltag von Petroleumlampen und Holzöfen geprägt war. Elektrizität gab es im elterlichen Haus in Peru zunächst nicht. Das Rechnen bot in dieser ländlichen Abgeschiedenheit eine eigene, verlässliche Ordnung. Niemand ahnte in den 1930er-Jahren, dass Frances Allen ein halbes Jahrhundert später die Funktionsweise der schnellsten Großrechner der Welt entscheidend prägen würde. Die Verbindung von elementarer Neugier und mathematischer Disziplin bestimmte ihren Weg.
Aus dem Vorhaben, lediglich die Schulden ihres Mathematikstudiums abzutragen, erwuchs eine fünfundvierzigjährige Laufbahn bei IBM Research. Frances Allen verwandelte die Übersetzung von Programmiersprachen von einem intuitiven Handwerk in eine exakte, graphentheoretische Wissenschaft.
Inhalt (5)
| Jahr | Werk / Projekt | Gattung / Rolle | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| 1959–1962 | Projekt Stretch / IBM 7030 | Systemarchitektur & Compilerbau | Entwicklung optimierender Übersetzer für Hochleistungs- und Kryptoanalysesysteme. |
| 1966 | Program Optimization | Wissenschaftliche Publikation | Erste systematische Formulierung von Methoden zur automatischen Codeverbesserung. |
| 1970 | Control Flow Analysis | Wissenschaftliche Publikation | Einführung der Kontrollflussgraphen als Standardmodell der statischen Analyse. |
| 1971 | A Catalog of Optimizing Transformations | Monografie / Fachaufsatz | Gemeinsam mit John Cocke verfasstes Standardwerk zur Transformation von Zwischencode. |
| 1980–1995 | Parallel Translation Group (PTRAN) | Forschungsleitung bei IBM | Entwicklung automatischer Verfahren zur Parallelisierung sequenzieller Programme. |
| 1995–2002 | IBM Academy of Technology | Präsidentin & Projektleitung | Strategische Ausrichtung der IT-Forschung, darunter frühe Phasen des Supercomputers BlueGene. |
Frances Allen: Von der ländlichen Schule ins Labor von Poughkeepsie
Frances Allen schloss 1954 ihr Studium am Albany State Teachers College mit dem Bachelor in Mathematik ab. Nach zwei Jahren Lehrtätigkeit erwarb sie 1957 den Master an der University of Michigan und trat am 15. Juli 1957 eine Stelle bei IBM Research in Poughkeepsie an.
Die Entscheidung für das Industrieunternehmen entsprang pragmatischen Erwägungen. Ein Kredit für das Aufbaustudium in Ann Arbor drückte das Budget. Die junge Mathematikerin plante, nach Begleichung der Verbindlichkeiten an eine Schule zurückzukehren. Doch die ersten Aufgaben im Laboratorium von Poughkeepsie banden ihre Aufmerksamkeit rasch an eine neue Disziplin. Ohne formale Ausbildung in der damals kaum etablierten Informatik erhielt sie den Auftrag, IBM-Wissenschaftlern die Grundlagen der Programmiersprache Fortran zu vermitteln. Die Sprache existierte erst seit kurzer Zeit, Handbücher waren rar. Allen erarbeitete sich die Konzepte direkt aus den Spezifikationen und den Schaltplänen der Rechenanlagen.
In Poughkeepsie traf sie auf ein Umfeld, in dem theoretische Überlegungen und ingenieurtechnische Praxis unmittelbar ineinandergriffen. Sie arbeitete dabei im weiteren Umfeld renommierter Rechnerarchitekten wie Gene Amdahl. Sie erkannte früh, dass die Übersetzung von für Menschen lesbarem Quellcode in effiziente Maschinensprache das eigentliche Nadelöhr der Rechnerarchitektur darstellte. Wenn der Compiler den Programmablauf nicht durchschaute, verpuffte die Rechenleistung teurer Hardware. Dieser Erkenntnis widmete sie fortan ihre gesamte wissenschaftliche Aufmerksamkeit. Aus dem geplanten Übergangsjahr wurden viereinhalb Jahrzehnte kontinuierlicher Forschungsarbeit.
Kryptoanalyse, Großrechner und der Graphenansatz
Ab 1959 arbeitete Allen am Projekt Stretch, dem Supercomputer IBM 7030, und entwickelte die Sprache Alpha für die National Security Agency. In Kalifornien kooperierte sie mit John Cocke an den Compilerkonzepten für die Rechner IBM ACS-1 und ACS-360.
Das Stretch-Projekt forderte Höchstleistungen an Speicherdichte und Verarbeitungsgeschwindigkeit. Für die National Security Agency entstand die Sonderanfertigung IBM 7950 Harvest, ein System zur Kryptoanalyse riesiger Datenmengen. Allen übernahm die Verantwortung für die Hochsprache Alpha und deren Übersetzung. Hierbei ging es nicht mehr nur um das bloße Erzeugen gültiger Befehlsfolgen, sondern um radikale Redundanzreduktion. Um Zeichenketten mit maximaler Geschwindigkeit zu durchsuchen, musste der Compiler Schleifen abflachen, Register optimal belegen und Datenpfade im Voraus planen. Die Komplexität erforderte eine methodische Abstraktion, die bis dahin im Compilerbau gefehlt hatte.
Ein Compiler darf die Struktur eines Programms nicht bloß übersetzen, er muss dessen Absichten mathematisch analysieren und neu ordnen.
In den späten 1960er-Jahren vertiefte sie in San José die Zusammenarbeit mit dem Rechnerarchitekten John Cocke. Die Arbeit am experimentellen Rechnersystem IBM ACS-1 vollzog einen Paradigmenwechsel: Die Maschine wurde um den Compiler herum entworfen, nicht umgekehrt. Allen und Cocke formalisierten die Transformationen von Programmen. Ihre Aufsätze aus den Jahren 1970 und 1971 schufen das theoretische Fundament der modernen Programmoptimierung. Indem sie Kontrollflussgraphen einführten, machten sie Datenabhängigkeiten mathematisch berechenbar. Die Publikationen dokumentierten Methoden wie die Schleifeninvarianz-Verschiebung, die Eliminierung toten Codes und die globale Registerallokation. Diese Arbeiten sind bis heute in jedem industriellen Compiler präsent, wie auch das ACM Turing Award Archiv ausführlich würdigt.
Akademischer Diskurs und die PTRAN-Gruppe
Von 1970 bis 1973 forschte Frances Allen am Courant Institute of Mathematical Sciences der New York University an der Seite von Jack Schwartz. 1980 gründete sie bei IBM die Parallel Translation Group (PTRAN) zur automatischen Programmparallelisierung.
Die Jahre am Courant Institute in New York dienten der theoretischen Fundierung. Gemeinsam mit Jack Schwartz untersuchte sie formale Semantik und mengentheoretische Programmiersprachen wie SETL. An der Hochschule lehrte sie fortgeschrittenen Compilerbau und begegnete Talenten wie Anita Borg, die später maßgebliche Initiativen für Frauen in der Technologiebranche ins Leben rief. Der akademische Diskurs stärkte Allens Überzeugung, dass praktische Softwareentwicklung nur auf einem rigorosen theoretischen Gerüst dauerhaft skalieren konnte. Nach ihrer Rückkehr zu IBM Research in Yorktown Heights widmete sie sich experimentellen Systemen wie dem Projekt Future Systems.
Als zu Beginn der 1980er-Jahre Mehrprozessorsysteme technisch greifbar wurden, stand die Softwareentwicklung vor einer Blockade: Entwickler schrieben weiterhin sequenzielle Programme, während Rechner mehrere Rechenwerke parallel betreiben konnten. Auf Anregung des Forschungsleiters Irving Wladawsky-Berger gründete Allen die PTRAN-Gruppe. Ziel des Projekts war es, aus herkömmlichem FORTRAN-Quellcode automatisch parallele Abläufe zu extrahieren. Unter ihrer Leitung erarbeitete das Team neuartige Algorithmen zur Datenflussanalyse und Abhängigkeitsberechnung. Die Gruppe zeigte, wie Schleifendurchläufe ohne Konflikte auf getrennte Prozessorkerne verteilt werden können. Die Erkenntnisse flossen direkt in industrielle Optimierungssoftware ein.
Führungsverantwortung, Mentoring und späte Ehrungen
1989 wurde Allen als erste Frau zum IBM Fellow ernannt. 1995 übernahm sie die Präsidentschaft der IBM Academy of Technology. 2006 erhielt sie als erste Frau den ACM A.M. Turing Award für fundamentale Beiträge zur Compileroptimierung.
Die Ernennung zum IBM Fellow im Jahr 1989 markierte eine historische Zäsur im Konzern. Es handelte sich um die höchste technische Auszeichnung, die das Unternehmen vergab. Sechs Jahre später wurde sie Präsidentin der neu geschaffenen IBM Academy of Technology, wo sie den Dialog zwischen Grundlagenforschung und Produktentwicklung steuerte. In dieser Rolle begleitete sie auch frühe Phasen des Supercomputer-Projekts BlueGene, das neue Maßstäbe in der Molekulardynamik und Klimamodellierung setzte. Neben ihrer Forschungsarbeit engagierte sie sich in Gremien der National Science Foundation und des National Research Council.
Nach ihrem Eintritt in den Ruhestand im Jahr 2002 blieb Frances Allen eine gefragte Stimme an Universitäten. Als Gastdozentin an der Stanford University sowie an den Campus der University of California in Berkeley und San Diego gab sie ihre Erfahrungen weiter. Sie setzte sich konsequent dafür ein, talentierte Wissenschaftlerinnen im Bereich der Rechnerarchitektur sichtbar zu machen. Die Auszeichnung mit der nach dem britischen Mathematiker Alan Turing benannten Ehrung im Jahr 2006, die in Fachkreisen als Nobelpreis der Informatik gilt, unterstrich die zeitlose Tragweite ihrer algorithmischen Entdeckungen. Weitere Details zu ihren Stationen bewahrt das Computer History Museum auf.
Frances Allen verstarb am 4. August 2020, an ihrem 88. Geburtstag, in einem Pflegeheim in Schenectady im US-Bundesstaat New York an den Folgen einer Alzheimer-Erkrankung. Ihr wissenschaftliches Werk bildet das unsichtbare, verlässliche Fundament jedes modernen Übersetzungsvorgangs von Programmiersprachen.
Häufig gestellte Fragen
Wann wurde Frances Allen geboren und wann starb sie?
Frances Allen wurde am 4. August 1932 in Peru im Bundesstaat New York geboren. Sie starb genau an ihrem 88. Geburtstag, am 4. August 2020, in Schenectady im Bundesstaat New York.
Wofür ist Frances Allen bekannt?
Frances Allen ist bekannt für fundamentale Algorithmen im modernen Compilerbau, insbesondere zur automatischen Kontrollflussanalyse, Programmoptimierung und Parallelisierung. 2006 erhielt sie als erste Frau den renommierten Turing Award der Association for Computing Machinery.
Welche wichtigen Werke und Schriften verfasste Frances Allen?
Zu ihren wichtigsten Schriften zählen der grundlegende Aufsatz Program Optimization von 1966, Control Flow Analysis aus dem Jahr 1970 sowie die mit John Cocke verfasste Monografie A Catalog of Optimizing Transformations von 1971.
Was war die PTRAN-Gruppe bei IBM?
Die 1980 gegründete Parallel Translation Group erforschte Verfahren zur automatischen Übersetzung sequenzieller Programme in parallelen Maschinencode. Die dort entwickelten Abhängigkeitsanalysen bilden das Fundament moderner Multi-Core- und Supercomputer-Compilerarchitekturen.
Woran starb Frances Allen?
Frances Allen verstarb am 4. August 2020 in einer Pflegeeinrichtung in Schenectady an den Folgen einer Alzheimer-Demenz, wie ihre Familie und IBM Research nach ihrem Tod bekanntgaben.
Welchen Einfluss hat Frances Allen auf die moderne Informatik?
Ihre graphentheoretischen Modelle des Kontrollflusses und Verfahren zur Zwischencode-Optimierung sind fester Bestandteil praktisch aller modernen Compiler. Ohne ihre Arbeiten wäre die effiziente Ausführung von Software auf modernen Hochleistungs- und Mehrkernprozessoren undenkbar.
Normdaten und externe Verzeichnisse
Quellen und weiterführende Literatur
- Seibel, P. (2011). Coders at Work: Bedeutende Programmierer und ihre Erfolgsgeschichten. mitp-Verlag.
- Allen, F. E. (1970). Control flow analysis. ACM SIGPLAN Notices, 5(7), 1–19.
- Allen, F. E., & Cocke, J. (1971). A catalog of optimizing transformations. IBM Research Report RC 3548.
- Association for Computing Machinery. (2006). A.M. Turing Award Winner: Frances E. Allen.