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05.11.2015 | Programmiersprachen | Im Fokus | Onlineartikel

Ein Supercomputer der Exascale-Klasse

Autor:
Andreas Burkert

Supercomputer der Exascale-Klasse schaffen 1 ExaFlop pro Sekunde. Eine enorme Rechenleisung, um Probleme der Physik zu lösen. Um aber das Problem mit dem Energieverbrauch zu lösen, sind skalierbare Algorithmen notwendig.

Wer es als Rechner schafft, eine Milliarde Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde zu bewältigen, gehört zur Gruppe der Supercomputer der Exascale-Klasse. Damit die Leistung von 1 ExaFlop/s möglich ist, bedarf es einer speziellen Programmierung. Die aber wird selbst zur Herausforderung. Mit „ExaHyPE“ fördert die Europäische Kommission seit Oktober 2015 ein internationales, an der Technischen Universität München (TUM) koordiniertes Projekt, das in den kommenden vier Jahren die algorithmischen Grundlagen dafür legen soll. Ziel ist die Entwicklung einer neuartigen Software, zunächst für Simulationen in der Geo- und Astrophysik, die unter freier Lizenz veröffentlicht wird. Die Fördersumme beträgt 2,8 Millionen Euro.

Das EU-Projekt („An Exascale Hyperbolic PDE Engine“), in dem sich ein interdisziplinäres Forscherteam aus sieben Institutionen in Deutschland, Italien, Großbritannien und Russland zusammengeschlossen hat, bindet sich in die europäische Strategie ein, bis 2020 einen Supercomputer im Exascale-Maßstab zu entwickeln. Um die gewaltige Rechenleistung auch für entsprechend umfangreiche Simulationsaufgaben nutzen zu können, muss die gesamte Supercomputing-Infrastruktur samt Systemsoftware auf diese Exascale-Systeme vorbereitet werden.

Extreme Parallelisierung

Trotz der internationalen Zusammenarbeit stellt das Supercomputing der Zukunft die ExaHyPE-Wissenschaftler vor gewaltige Herausforderungen. Vor allem beim Energieverbrauch, dem größten Hindernis für die Realisierung eines Exascale-Computers, sind enorme Anstrengungen nötig. Laut der Internetseite www.top500.org benötigen die derzeit schnellsten Supercomputer der Welt zwischen 8 und 18 Megawatt. Diese Rechner (Tianhe-2 (China), Titan, Sequoia (beide USA) sowie der K Computer (Japan)) arbeiten im Petaflop/s-Bereich (1015 Rechenoperationen pro Sekunde) und verursachen Energiekosten von rund 1 Million US-Dollar pro Megawatt und Jahr.

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„Ein Exascale-Computer, basierend auf aktuellen Technologien, würde mit einem Bedarf von knapp 70 Megawatt sowohl eine finanzielle wie auch eine infrastrukturelle Herausforderung darstellen“, erläutert ExaHyPE-Koordinator Professor Michael Bader von der TUM. „Die in ExaHyPE entwickelte Simulationssoftware wird daher konsequent auf die Anforderungen künftiger energieeffizienter Hardware ausgelegt.“

Auf Hardware-Seite ist daher mit einer extremen Parallelisierung zu rechnen. „2020 werden Supercomputer hunderte Millionen Rechenkerne umfassen“, so Bader. „Gleichzeitig wird die Hardware, die zur weiteren Leistungssteigerung an ihre physikalischen Grenzen getrieben wird und dabei zudem möglichst energieeffizient arbeiten muss, vermehrt zu Ausfällen neigen und somit schwankende Leistungskurven aufweisen. ExaHyPE untersucht daher die dynamische Verteilung von Rechenoperationen auf die Kerne, selbst wenn diese während der Rechnung ausfallen.“

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