Asiatischer Supercomputer
Posted by Julia Werner •
IBM-Supercomputer soll 2019 Exaflop-Grenze durchbrechen
Eine Trillion Rechenoperationen pro Sekunde. Energieverbrauch als grösste Herausforderung.
Am Forschungszentrum Jülich soll in Kooperation mit IBM einmal mehr Europas schnellster Supercomputer entstehen. Der für 2019 geplante Hochleistungsrechner soll die Exaflop-Grenze durchstossen und somit über eine Trillion Rechenoperation pro Sekunde schaffen. Damit mischen Jülich und IBM beim weltweiten Supercomputing-Rennen um den Exascale-Bereich mit, den auch andere europäische Forschungsinstitutionen sowie IBM-Konkurrent Cray im Laufe des Jahrzehnts erobern wollen.
Tausendfache Leistungssteigerung
Im Vergleich zum aktuellen Supercomputer in Jülich, dem mittlerweile ein Petaflop starken Jugene, bedeutet der neue Computer eine Leistungssteigerung um den Faktor 1000. Um das Langzeitprojekt erfolgreich in die Tat umzusetzen, haben das Forschungszentrum Jülich und IBM daher gestern, Dienstag, einen Vertrag für ein gemeinsames "Exascale Innovation Center" unterzeichnet, in dem bis Ende des Jahrzehnts die notwendigen Hardware-Komponenten und Software entwickelt werden sollen.
"Die grösste Herausforderung auf dem Weg zum Exaflop-Supercomputer stellt sicherlich der Energieverbrauch dar. Wenn die Verbrauchskosten im Betrieb teurer als die Hardware sind, wird dadurch die ökonomische Rentabilität in Frage gestellt", erklärt Thomas Lippert, Direktor des Jülich Supercomputing Centre (JSC), im Gespräch mit pressetext. Neben der Herausforderung, Programme für einen derartigen Supercomputer zu skalieren, bereitet den Wissenschaftlern aber auch die Speicherung der anfallenden Datenberge Kopfzerbrechen. "Da geht die Entwicklung ganz klar in Richtung internes Speichersystem", meint Lippert.
Komplexe Simulation machen Aufrüstung erforderlich
Definition von WhatIs.com
Die Bezeichnung Petaflop dient dazu, die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Computern zu beschreiben. Ein Petaflop entspricht:
Einer Billiarde oder 1.000 Billionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde beziehungsweise in englischer Sprache ausgedrückt Floating Point Operations per Second (FLOPS),
Teraflops,
10 hoch 15 FLOPS oder
2 hoch 50 FLOPS.
Im Juni 2008 war der Roadrunner genannte Supercomputer von IBM der Erste, dem es gelang, die „Petaflop-Grenze“ zu durchbrechen. Bereits im November desselben Jahres, als die jährlich aktualisierten Zahlen der Top 500 schnellsten Supercomputer veröffentlicht wurden, gab es jedoch schon einen weiteren Rechner, der diese Grenze geknackt hatte. Mit 1,105 Petaflops konnte sich Roadrunner aber trotzdem an der Spitze der Liste behaupten, gefolgt von Jaguar von Cray, der 1,059 Petaflop erreichte.
Der Durchbruch der Petaflop-Grenze gilt als Meilenstein für Wissenschaft und Forschung. Nach Ansicht von Thomas Zacharia, damals Chef der IT-Forschung am von Cray betriebenen Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, ermöglichen es die schnellen Supercomputer, „fundamental neue Berechnungen in der Physik und bisher ungelöste Probleme anzugehen“. Dadurch werde auch der Übergang von bisher relativ einfachen Forschungen zu modernen angewandten Wissenschaften beschleunigt.
Durch das Rechnen in einer Leistungsstärke von Petaflops wurden zum Beispiel weit bessere Modellierungen möglich, um auch komplexe Systeme darstellen zu können. So wird erwartet, dass damit etwa während medizinischer Operationen Kernspintomographien in Echtzeit durchgeführt werden können. Weitere Durchbrüche stehen bevor oder gab es bereits im Rahmen astrophysischer Simulationen, bei der Computer-basierten Entwicklung neuer Medikamente und beim Modellieren der Verschmutzung der Umwelt sowie bei der Untersuchung der langfristigen Folgen der Klimaerwärmung.
Die Entwicklung der Rechenleistung ist in den vergangenen Jahren nicht stehen geblieben. Im Dezember 2015 haben ungefähr 700.000 Computer der Berkeley Open Infrastructure for Network Computing, einer Plattform für verteiltes Rechnen, rund 12 Petaflop Leistung erreicht. Das Very Large Array (EVLA) in New Mexiko soll sogar 40 Petaflops erzielt haben. Noch mehr Rechenleistung wird für das geplante Square Kilometre Array (SKA) erwartet, dass vier Exaflop erreichen soll, was 4.000 Petaflop entsprechen würde.
Asiatischer Supercomputer
Der schnellste Computer der Welt, der japanische K-Computer, liegt genau im Zeitplan. Vor vier Jahren wurden auf der damals noch in Dresden stattfindenden Supercomputerkonferenz die ersten Pläne für den neuen Rechnerboliden vorgestellt. Und für das Jahr 2012 wurde das Durchbrechen der Leistungsgrenze von 10 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde prognostiziert. In der jetzigen Ausbaustufe bringt der am Riken-Institut entwickelte Supercomputer eine Leistung von 8,1 Petaflops, also 8,1 Billiarden Gleitkommaoperationen in der Sekunde. Und damit verwies der K-Computer den Vorjahressieger aus China auf Platz 2. Professor Hans Meuer, einer der Herausgeber der Top-500-Liste der schnellsten Supercomputer der Welt, beschreibt das so:
"Ja, es war schon ein dramatischer Wettlauf. Also die Sensation war natürlich, dass Japan die Nummer-Eins-Position wieder übernommen hat. Da hat ja eigentlich kaum jemand mitgerechnet. Es galt als abgemacht, dass es ein Rennen zwischen USA und China wird, aber die Japaner haben gezeigt, dass sie zurück sind."
Im nächsten Jahr soll der K-Computer komplett fertig sein. Dann wird er den Prognosen zufolge auch die Zehn-Petaflops-Grenze reißen. Das Projekt liegt im Plan. Und genau damit hatte niemand gerechnet. Aufholbedarf hat dagegen Konkurrentin IBM, denn die ist mit ihren beiden Zehn-Petaflops-Projekten in diesem Jahr noch gar nicht für die Top-500-Liste angetreten. Supercomputer-Manager Klaus Gottschalk:
"Wir arbeiten gerade gemeinsam mit der US-Regierung an zwei Projekten, die beide an die Zehn-Petaflops-Grenze heranklopfen werden und sie übertreffen werden, also die beiden Rechner heißen Blue Waters, das ist ein power-7-basiertes System, das jetzt gerade im Aufbau ist und die nächste Generation BluGene, das Sequoia genannt werden wird, das auch die Zehn-Petaflops-Grenze übertreffen wird."
Wie schnell die Supercomputer sind, das wird mit einer Test-Suite namens Linpack gemessen. Und diese Test-Suite ist vor der Supercomputerkonferenz ziemlich in die Kritik gekommen. Sie beruht auf der Lösung linearer Gleichungssysteme. Kritiker wenden ein, dass konkrete Einsatzszenarien und Simulationsaufgaben von Supercomputern damit gar nicht getestet werden. Zudem spielten bei der Linpack-Suite Leistungskriterien wie Ein- und Ausgabegeschwindigkeit, Bandbreite und Speicherleistung keine Rolle. Deswegen wurde erwartet, dass die Linpack-Suite um Testprogramme erweitert wird, die sich stärker an konkreten Einsatzbedingungen orientieren. Hans Meuer:
"Also Linpack, das wird eigentlich seit Beginn unseres Top-500-Projekts kritisiert, das im Jahr 1993 an der Universität Mannheim entstanden ist. Warum nehmt ihr Lindpack, werden wir immer wieder gefragt. In der Tat ist es so, dass für alle unsere Aussagen nur eben auf das Lösen eines linearen Gleichungssystems stützen können. Jetzt hier in diesem Fall mit dem K-Computer hat der immerhin ein Gleichungssystem von weit über zehn Millionen linearen Gleichungen mit entsprechenden Unbekannten gelöst und hat dafür 28 Stunden gebraucht."
Und weil die Rechenzeit für diesen Leistungstest damit viel zu lang geworden ist, wollen die Organisatoren des Top-500-Projektes die Linpack-Tests verkürzen und gerade nicht um zusätzliche Praxistest erweitern. Dieses Ergebnis hat so manchen Konferenzteilnehmer überrascht. Frank Baetke dagegen, Supercomputerexperte bei Hewlett-Packard, begrüßt die Verdichtung der Linpack-Testläufe, weil mit ihnen sehr langfristige Leistungsprognosen möglich sind.
"Bis jetzt hat der Trend, den man da vorher gesagt hat, der hat sich recht gut bestätigt. Wir sehen ja jetzt bereits, dass wir am oberen Ende kurz vor den zehn Petaflops gelandet sind mit den K-Computer. Und typischerweise in der Top-500-Liste ist es so, dass das High-End-System in der Top-500-Liste diese Position ein halbes oder ein oder sogar zwei Jahre hält und dann überholt wird. Der Trend geht ungebrochen weiter in Richtung Exascale-Computing."
Ein solcher Supercomputer würde dann eine Trillion Gleitkommaoperationen in der Sekunde schaffen. Ein fast unvorstellbarer Wert, eine Eins mit 18 Nullen. Prognostiziert wird ein solches Exaflops-System für das Jahr 2019. Und vielleicht wird der schnellste Computer der Welt dann im Forschungszentrum Jülich stehen. Denn die Forscher dort haben in Sachen Exaflops-Computer bisher die Nase vorn.
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