High Performance Computing wird immer breiter eingesetzt. Damit steigt auch der Energieverbrauch exponentiell. Doch Otto Normalanwender fragt sich, wozu man diese Riesenkisten heute überhaupt noch braucht.
Der Name sagt es bereits: Supercomputer bewegen sich am obersten Leistungsspektrum des technisch derzeit Machbaren. Mit der beeindruckenden Leistung geht jedoch ein stolzer Anschaffungspreis einher. Auf dem Preisschild stehen Zahlen im oberen zweistelligen bis in den dreistelligen Millionenbereich.
Und das bei Rechnern, die "gerade mal" eine Billiarde Gleitkommaoperationen pro Sekunde (1 Petaflop/s) bewältigen. An der nächsten Generation wird bereits geschraubt - die Nase vorn zu haben, ist für manche Staaten eine Frage des Prestiges. Regierungen und Universitäten bestreiten über 65 Prozent der Budgets. Die US-Regierung ist der größte Abnehmer für High Performance Computing Server, so IDC[1]-Analyst Earl Joseph.
Da einige dieser Superkisten in den bundeseigenen Rechenzentren Jülich, Stuttgart und München stehen, ist der deutsche Steuerzahler direkt an ihrer Finanzierung beteiligt und darf fragen: Was machen die Beteiligten eigentlich mit ihren Highspeed-Rechnern?
Die Antwort ist oft Grundlagenforschung in Physik und Chemie: Das ist ja schön und gut, aber was haben die Bürger konkret davon? Sinnfälliger sind da schon Simulationen, vor allem im Automobilbau. "HPC ist heute ein fester Bestandteil des modernen Produktentwicklungsprozesses, weil man unter anderem reale Prototypen einsparen und neue Varianten erproben kann", berichtet Manousos Markoutsakis von IBM[2].
"Man erhält mehr Einsichten in das neue Produkt und kann insgesamt eine höhere Produktqualität erzielen." Die Crash-Analyse, bei der typischerweise mehr als die Hälfte der eingesetzten Rechenressourcen eingesetzt werden, sei bei den Automobilzulieferern sehr wichtig. Der Gesetzgeber verlangt pro Modell mindestens zwölf Simulationen.
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Bildergalerie: Supercomputer Jugene in Jülich[3]
» zur Bildergalerie ...[3]"Durch den Druck, immer schnellere neue Produkte zu entwickeln, steigt der Druck, auf parallele Abarbeitung dieser Anwendung umzusteigen", erläutert Wolfgang Dreyer, Produktmanager bei Microsoft Deutschland[5]. "Aber auch in der chemischen und pharmazeutischen Industrie sowie in der Medizin werden Simulationen verwendet. In der Öl- und Gasindustrie sowie der Geophysik werden neue Rohstoffvorkommen mit HPC gesucht und berechnet."
Klaus Gottschalk, IBM High Perfomance Computing Architect (Bild: IBM).
In den USA sind das Verteidigungs- (DoD) und das Energieministerium (DoE) die größten Auftraggeber. Das DoE ist auch für Atomenergie und Atomwaffen zuständig. "Das Militär führt mit HPC Simulationen von Waffensystemen durch", weiß Norbert Eicker, wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Jülich Supercomputing Centre[6]. "Auch Flugsimulationen, Strömungsmechanik und Sprengstoffe sind Einsatzbereiche."
IBMs "Roadrunner"-Rechner in Los Alamos etwa, der die Top-500[7]-Rangliste anführt, dient nicht zuletzt simulierten Atomwaffentests. Da hören wir es schon lieber, dass HPC auch in der Wettervorhersage und zur Berechnung der Folgen des Klimawandels eingesetzt wird.
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Galerie zum Garchinger Superrechner[8]
» zur Bildergalerie ...[8]"Heute werden die Teile simuliert, aber nicht das Ganze, anders als etwa beim Auto. In der Physik möchte man Millionen von Atomen berechnen und in der Astronomie die Kollision von Galaxien." Die Forscher behelfen sich mit der Parallelisierung der Arbeitsschritte und teilen das Problem auf, so dass es verteilt auf jeden Core und jede CPU verarbeitet werden kann.
Als Problem bei dieser parallelen Vorgehensweise erweist sich zunehmend die Software, die sowohl die Arbeitsschritte steuert als auch die Ergebnisse verarbeitet. "Da auch die Anzahl der Prozessoren pro System weiter zunimmt, liegt hier eine der größten Herausforderungen im Supercomputing", resümiert Frank Baetke von HP.
Darauf hat Wolfgang Dreyer von Microsoft eine Antwort, denn Entwicklungswerkzeuge wie Microsoft Visual Studio 2010 sollen mit der integrierten Parallelisierungsumgebung Abhilfe schaffen. "Spezielle Werkzeuge zur Optimierung paralleler Applikationen erleichtern das Leben von Programmierern wesentlich." Bislang schreiben viele Forscher ihre Software noch selbst, in Fortran und C.
Es vergeht kein Monat, wahrscheinlich nicht mal eine Woche, dass nicht irgendwo auf der Welt ein neues Rechenzentrum eingeweiht wird. Laut IBM hat sich in den letzten vier Jahren der Energiebedarf von Rechenzentren weltweit fast verdoppelt. "Meist liegt er im dreistelligen Kilowattbereich", berichtet Gottschalk.
Die in Mode gekommenen Bladeserver sind besonders energiehungrig und machen die Kühlung zunehmend aufwändig. Der Trend führt daher von der Luft- zur Wasserkühlung[9] und hier von der Kalt- zur Heißwasserkühlung. "Diese ist bis zu 4000 Mal effektiver als Luftkühlung", so Hans-Jürgen Rehm, Pressesprecher bei IBM Deutschland. Die Zukunft ist also heiß - so oder so.
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Bildergalerie: IBM Mare Nostrum Supercomputer in Barcelona[10]
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