Jülich: Supercomputer: Jülicher wollen mehr als „Potenzprotzerei“

Jülich: Supercomputer: Jülicher wollen mehr als „Potenzprotzerei“

Wenn die Sonne geladene Teilchen ins Weltall schleudert und so das Magnetfeld der Erde stört, dann reden Wissenschaftler von einem Sonnensturm. Satelliten können kaputt gehen, Telekommunikationsverbindungen zusammenbrechen. „Bisher reicht die Rechenleistung der besten Supercomputer der Welt aus, um Teile eines Sonnensturms zu analysieren“, sagt Estela Suarez vom Supercomputing Centre am Forschungszentrum Jülich. „Wir wollen aber irgendwann in der Lage sein, einen Sonnensturm vorauszusagen.“

Der Sonnensturm ist nur ein Beispiel für viele wissenschaftliche Fragen, die mit heutigen Computern nicht beantwortet werden können. Deswegen versuchen 16 europäische Forschungseinrichtungen, nach den Sternen zu greifen und die nächste Generation von Supercomputern zu entwerfen.

Die Fäden der Supercomputer-Suche in Europa laufen im Forschungszentrum Jülich (FZJ) zusammen, in Estela Suarez‘ Hand. Die spanische Physikerin hat schon das Deeper-Projekt koordiniert, bei dem die europäischen Forscher in einem von der EU über drei Jahre geförderten Projekt zwei Supercomputer-Architekturen erfolgreich miteinander kombiniert haben. Jetzt soll der nächste Schritt gemacht werden. Nach Deep und Deeper — abgeschlossen im Mai — folgt jetzt Deepest. 15 Millionen Euro lässt sich die EU das Projekt kosten, das im Juli gestartet ist und bis 2020 läuft.

Um Deepest zu verstehen, muss man wissen, was bei Deeper passiert ist. Den Forschern ist es dort gelungen, die zwei gängigen Supercomputer-Architekturen in einem System zu vereinen — das des Clusters und das des Boosters. Booster sind Rechner mit vielen Kernen. Sie können eine unfassbar große Zahl an Rechenoperationen nebeneinander ausführen.

Der Spitzenreiter auf der Liste der schnellsten Rechner der Welt ist Sunway aus China, der 93 Peta-flop schafft, das sind 93.000.000.000.000.000 Rechenoperationen pro Sekunde. Die für den Herbst angekündigte neue i9-Prozessorserie von Intel für Privatanwender und soll noch mehr können — in der größten Version bis zu einem Teraflop (1000.000.000.000).

Cluster haben weniger Kerne, dafür sind sie wesentlich leistungsfähiger, können kompliziertere Operationen ausführen, verbrauchen dabei aber vergleichsweise viel Energie. Mit Deeper ist die Symbiose nicht nur auf der Ebene der Hardware gelungen. Die Forscher haben eine Software entwickelt, die die Rechenaufgabe aufteilt und je nach Anforderung auf Cluster oder Booster verteilt. „Das war das Wichtigste: Das System muss beherrschbar sein“, sagt Suarez.

„Potenzprotzerei“ bringe zwar vordere Plätze in der Liste der schnellsten Rechner der Welt, aber nur bedingten Nutzen für die Wissenschaft. Jetzt soll die dritte Dimension folgen. Der Supercomputer der Zukunft soll nicht nur gleichzeitig komplizierte Aufgaben rechnen können und solche, die eine große parallele Rechenleistung brauchen, sondern auch dann nicht in die Knie gehen, wenn die eingegebene Datenmenge größer ist als bisher üblich.

So wie es bei der Prognose von Sonnenstürmen der Fall wäre. Jeder Supercomputer der Welt, selbst Sunway, würde sich an dieser Aufgabe verschlucken. Big Data heißt die Anforderung der großen Datenmengen. Immer mehr wissenschaftliche Disziplinen produzieren Big Data.

„Wichtig ist ein möglichst schneller Abruf der Daten“, sagt Estela Suarez. „Deswegen müssen die Daten im Arbeitsspeicher bleiben, so nahe wie möglich bei den Prozessoren. Die Rechenoperation darf nicht ständig auf die Festplatte wandern. Der Arbeitsspeicher muss also entsprechend groß sein, und der Prozessor muss schnell und energieeffizient auf ihn zugreifen können.“ Wenn die Daten beim Rechnen im Arbeitsspeicher gehalten werden, dann spart das Zeit und Energie.

Co-Design nennen die Forscher das Vorgehen, einen Computer entsprechend der wissenschaftlichen Anforderung zu entwickeln. Neben dem Berechnen von Sonnenstürmen beziehen die Deepest-Forscher fünf weitere wissenschaftliche Felder ein, beispielsweise die Hirnsimulation. Das Wettrennen um die Ehre des schnellsten Rechners der Welt will Deepest nicht aufnehmen.

Für 2020 hat China den Exaflop-Rechner angekündigt, einen Computer also, der mehr als zehnmal so schnell ist wie die aktuelle Nummer eins Sunway. „Ein Exaflop-System ist nicht unser Ziel“, sagt Suarez. „Wir wollen bis 2020 demonstrieren, dass wir Exaflop erreichen können mit einem System, von dem die wissenschaftlichen Anwendungen profitieren.“

Dazu sollen nicht nur Cluster, Booster und ein massiver Arbeitsspeicher in Modulbauweise miteinander kombiniert werden. Auch eine neue Software wird notwendig. „Sie muss so erweitert werden, dass die Rechenoperationen so effizient wie möglich auf die Module verteilt werden. Das soll auch funktionieren, wenn mehrere Nutzer gleichzeitig mit dem System arbeiten“, sagt Suarez.

Effizientes Datenmanagement ist das, was die Supercomputer der übernächsten Generation selbstständig können sollen. Wenn es nach den Deepest-Wissenschaftlern geht, könnte es dann auch mit der Vorhersage von Sonnenstürmen klappen.