Aus dem Themenbereich Hightech-Strategie

eScience

Internet und World Wide Web (WWW) wurden von der Wissenschaft für die Wissenschaft entwickelt. Sie sind unverzichtbar für den Zugang zum weltweiten Wissen und für die Zusammenarbeit von Forscherinnen und Forschern. Das hervorragende Gigabit-Internet des Deutschen Forschungsnetzes bildet aber erst den Anfang einer Entwicklung, in der Netze und Anwendungen zu neuartigen Arbeitsumgebungen verschmelzen - GRID-Computing heißt das Schlüsselwort der Internetzukunft - die Arbeit an Supercomputern, die über Hochleistungsnetzwerke vernetzt sind. Ein neuer Meilenstein ist der schnellste Supercomputer Europas, der am 26. Mai 2009 in Jülich startete.

Wissen ist zum Produktionsfaktor geworden. Der Zugang zu Informationen und der Austausch von Wissen wurde dadurch zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor. Das Internet ist heute die Infrastruktur für den Zugang zum weltweiten Wissen. Dies gilt insbesondere für die Wissenschaft. Mit dem Internet der nächsten Generation werden die Technologien, Prozesse und Anwendungen der Zukunft untersucht, entwickelt und erprobt.

Bei dieser Zukunftsentwicklung hat die Gestaltung offener Hochleistungsnetze für Bildung, Wissenschaft und Forschung eine entscheidende Bedeutung. Gegenwärtig werden Ansätze zu einem Wissensnetz entwickelt, das Schulen, Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Verwaltungen individuelle Verfahren und Dienstleistungen anbietet, mit denen sie ihr Wissen organisieren und entwickeln können.

Höchstleistungen bei Computern und Netzen

Deutschland hat im europäischen Vergleich eine hervorragende Infrastruktur für wissenschaftlich-technisches Rechnen. In der sich laufend verändernden Welt der schnellsten Supercomputer konnten Forschungszentren in Deutschland wiederholt Spitzentechnik vorweisen. Im November 2007 fand sich das Forschungszentrum Jülich in der Liste der 500 weltweit schnellsten Rechner an zweiter Stelle. Am 22. Februar 2008 wurde der mit 167 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde zu dieser Zeit schnellste zivile Rechner der Welt "JUGENE" in Jülich offiziell freigeschaltet.Der Supercomputer des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) in Garching bei München erreichte Platz 15.

Am 26. Mai 2009 wurde im Forschungszentrum Jülich nun Europas erster Petaflop-Rechner gestartet. Der Computer schafft eine Billiarde Gleitkomma-Operationen in einer Sekunde und ist damit der schnellste Supercomputer in Europa.

Gleichzeitig werden zwei weitere Supercomputer für die Fusionsforschung sowie für das JuRoPA-Projekt (Juelich Research on Petaflop Architectures) gestartet. Diese beiden Rechner werden mit Programmitteln der Helmholtz-Gemeinschaft und der EU finanziert. Insgesamt 25 der 500 weltweit schnellsten Computer stehen nach der Liste der schnellsten Supercomputer (Stand November 2008) in Deutschland, das damit nach den USA Großbritannien und Frankreich den vierten Platz erreicht.

Die Rechner der Supercomputerzentren weisen unterschiedliche Architekturen auf, die recht spezifisch auf unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte abgestimmt sind. In Deutschland stehen auf diese Weise Rechenkapazitäten für eine sehr breite Palette von Forschungsarbeiten in verschiedensten Disziplinen zur Verfügung. Für die internationale Wettbewerbsfähigkeit der Wissenschaft in Deutschland kommt es zunehmend auf eine strategische Allianz der unterschiedlich ausgeprägten Höchstleistungsrechner an.

Auf Initiative des BMBF wurde mit den Wissenschaftsministern von Baden-Württemberg, Bayern und Nordrhein-Westfalen die Vereinbarung getroffen, dass sich die drei Standorte für Höchstleistungsrechnen in Deutschland in Jülich, München/Garching und Stuttgart zu einem Verbund zusammenschließen. Die Zentren haben nun am 13. April 2007 gemeinsam das Gauß-Zentrum für Supercomputing gegründet. Der Bund auf der einen und die drei Länder auf der anderen Seite finanzieren jeweils zur Hälfte den schrittweisen Ausbau der Supercomputer-Kapazität in Deutschland bis 2015 mit insgesamt bis zu 400 Millionen Euro.  Der Petaflop-Supercomputer in Jülich ist die erste Investitionsmaßnahme aus diesem Förderprogramm.

Europäisches Computer-Netzwerkes PRACE

Die Beteiligten an der Unterzeichnung des PRACE-MOU
Die auf deutscher Seite begonnene Vernetzung wird auch auf EU-Ebene voran getrieben. Das Gauß-Zentrum für Supercomputing ist die Grundlage für ein gemeinsames Auftreten der deutschen Supercomputer-Zentren in Europa zum Aufbau eines weltweit führenden europäischen Supercomputerzentrums an verschiedenen Standorten.

Zusammen mit Vertretern aus 11 europäischen Ländern und der EU-Kommission entstand eine gemeinsame Initiative für die Bündelung der Kompetenzen auf dem Gebiet des Höchstleistungsrechnens. Das Ergebnis ist nun die Unterzeichnung eines Memorandum of Understanding zur Gründung der vom BMBF voran getriebenen Supercomputer-Initiative "Partnership for Advanced Computing in Europe" (PRACE).

Dieses Netzwerk aus Supercomputern wird Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Europa einen optimalen Zugang zum Höchstleistungsrechnen ermöglichen. Die nötigen Mittel für Investitionen und Betrieb von etwa 500 Millionen Euro im Zeitraum von fünf Jahren werden von jenen Ländern aufgebracht, die Standorte der Supercomputerzentren sind. Ein von der EU gefördertes und von Deutschland koordiniertes Projekt mit Partnern aus mittlerweile 18 Ländern bereitet den Aufbau des Netzwerks seit dem 1. Januar 2008 vor. Der Start dieser weltweit einmaligen kooperativen Supercomputer-Infrastruktur ist für 2010 geplant.

Vom Wissenschaftsnetz zum GRID-computing

Deutschland hat heute eines der besten Wissenschaftsnetze der Welt. Wir wollen diese Attraktivität des Forschungsstandortes Deutschland weiter erhöhen durch eine innovative Infrastruktur für verteiltes, kooperatives wissenschaftliches Arbeiten in Kommunikationsnetzen und eine leistungsfähige Informationsversorgung. Das bedeutet, eine Aufbereitung und Verfügbarkeit relevanter wissenschaftlicher Informationen durch entsprechende Informationszugänge und eine Digitale Bibliothek zu schaffen. Das Ziel ist, den Wissenstransfer in seiner Funktion als Motor für Innovationen zu optimieren.

Zweiter Schwerpunkt ist die Entwicklung zum GRID-computing und dessen sowohl technologische als auch insbesondere ökonomische Herausforderung. Dabei geht es darum, die staatlich finanzierte und als Vorreiter fungierende Infrastruktur für die Forschung durch frühzeitige Verbindung mit konkreten Geschäftsmodellen von Partnern aus der Wirtschaft für die enormen Anwendungspotenziale der Grid-Technologie zu erschließen. Hochleistungsnetzwerke - wie etwa das Gigabit-Wissenschaftsnetz des Deutschen Forschungsnetzes (DFN) - werden sich in Zukunft zu umfassenden wissenschaftlichen Arbeitsumgebungen entwickeln. Sie werden den gesamten Forschungsprozess unterstützen, vom Betrieb der Messgeräte in weltweit kooperierenden Labors, über das Management von Forschungsdaten bis hin zur Dokumentation und Publikation der Ergebnisse. Damit solche Anwendungen künftig einfach und unbürokratisch genutzt werden können, müssen auch neue Konzepte für die Vernetzung von Datenspeichern, Rechnern und Netzen - so genannte GRID-Lösungen - entwickelt werden. Ökonomische Chancen bieten sich insbesondere in den Bereichen Digitalisierung der Dienstleistungswirtschaft und Digital Manufacturing/Digital Factory, um neue Dienstleistungen zu ermöglichen, Produktionszyklen zu flexibilisieren und zu beschleunigen und dadurch Wachstumskräfte in diesen Märkten mit dynamischem Wachstumspotenzial anzureizen.

Ziele

Revolutionierende Veränderungen sind durch neue, GRID-basierte, kollaborative und vernetzte Formen in der internationalen wissenschaftlichen Zusammenarbeit zu erwarten. Die neue Herausforderung besteht darin, Informationssysteme der nächsten Generation anwendungs- und nutzungsorientiert zu schaffen. Geeignete IT- und Informationsinfrastrukturen sind die Voraussetzung dafür, dass neue Formen des wissenschaftlichen Arbeitens in sich selbst organisierenden Strukturen realisierbar werden.

Ziel ist die Entwicklung virtueller Wissensumgebungen, in denen die Nutzer dynamisch auf umfassende Datenbestände, Visualisierungen und wissenschaftliche Informationen aller Art zurückgreifen können. Damit sind auch künftig grundlegende Herausforderungen an die Entwicklung der wissenschaftlichen Informationsversorgung in Deutschland gestellt. Der schnelle Transfer von Forschungsergebnissen und die Aufbereitung und Verfügbarkeit relevanter wissenschaftlicher Informationen sind wichtige Faktoren zur Beschleunigung des Wissenstransfers und damit Motor für Innovationen. Neben der konventionellen Veröffentlichung wissenschaftlicher Ergebnisse als Produkt wird sich der gesamte Prozess der Generierung, Verarbeitung, Verbreitung und Archivierung von Wissen grundlegend ändern. Die neuen dynamischen Formen des wissenschaftlichen Arbeitens erfordern innovative Informationsinfrastrukturen und Dienstleistungen für wissenschaftliche Kommunikation, Information und Publikation.

Leitlinien für eine eScience-Initiative

Für die Entwicklung von GRID-Lösungen zu umfassenden Ansätzen einer um neue digitale Arbeitsmöglichkeiten erweiterten Wissenschaft - international mittlerweile unter dem Begriff eScience gefaßt - ist auch in Deutschland eine gemeinsame Initiative notwendig. Für die Realisierung dieser eScience-Initiative sind vier Punkte wichtig:

• Vielfalt und Synergie: Keine Arbeitsumgebung kann den Anforderungen aller Fachdisziplinen gleichermaßen gerecht werden. Aber genauso wenig macht es Sinn, immer wieder neu in Spezialentwicklungen zu investieren. Notwendig ist daher ein "Werkzeugkasten", mit dem e-science-Anwendungen für die verschiedenen Fach- und Institutskulturen "zusammengebaut" werden können und deren gemeinsame technische Struktur die Grundlage für neue Kooperationen ist.
• Standards aus der Praxis: eScience ist international ein dynamisches Feld. Umfassende Strategien, die langwierig erarbeitet werden, sind daher zum Scheitern verurteilt. Statt dessen müssen aus Anwendersicht konkrete Entwicklungen in Angriff genommen werden, deren Ergebnisse dann zu Standards werden können.
• Dienstleistungen: Neue Technologien wie z. B. im GRID werden erst dann ihre volle Wirkung entfalten, wenn sie offen und auch nach Ende einzelner Projekte zugänglich sind. Im Zentrum der Konzepte müssen deshalb auch Dienstleistungen für die Wissenschaft stehen. Dazu müssen wir die künftige Rolle der Rechenzentren, der Bibliotheken und der Forschungsnetze in der nationalen und internationalen Forschungszusammenarbeit neu definieren.
• Vernetzung zwischen den Forschungsorganisationen und zwischen Wissenschaft und Wirtschaft: Der Austausch zwischen den wissenschaftlichen Disziplinen und der zwischen Wissenschaft und Wirtschaft ist bei uns zu wenig ausgeprägt. Gerade die Konzepte für eScience und GRID bieten Ansatzpunkte für neue Kooperationen, aber auch für die Entwicklung von neuen, wissenschafts- und forschungsbezogenen Dienstleistungen.
  

Nächste Schritte

Die Bundesregierung bereitet gemeinsam mit Wissenschaft und Wirtschaft eine eScience-Initiative vor, die darauf abzielt, der deutschen Wissenschaft auch künftig weltweit wettbewerbsfähige Arbeitsmöglichkeiten bereitzustellen.

Auf Initiative der Max Planck-Gesellschaft haben die führenden deutschen Wissenschaftsorganisationen die "Berliner Erklärung über den offenen Zugang zu wissenschaftlichem Wissen" erarbeitet und unterzeichnet. Das Strategiepapier von D-Grid ist ein Vorschlag für eine deutsche eScience-Initiative, der aus der Wissenschaft heraus konzipiert wurde.

Die deutschen Wissenschaftsorganisationen sollten diesen Ansatz zu einer gemeinsamen deutschen eScience-Initiative weiterentwickeln. Eine Unterstützung entsprechender Forschungsarbeiten durch das BMBF ist nur sinnvoll, wenn die Wissenschaft sich mit eigenen Konzepten und Ressourcen an einer solchen Initiative beteiligt.

• Aus dem Themenbereich Hightech-Strategie

  Höchstleistungsrechnen

  Durch die Optimierung der Software werden höhere Präzision, Visualisierungsqualität und Geschwindigkeit möglich. Damit liefern solche Simulationen immer schneller und realitätsnaher die von Wissenschaft und Wirtschaft z. B. in den Bereichen Klimaschutz, Energie, Gesundheit und Produktentwicklung benötigten Modelle.
  mehr (URL: http://www.bmbf.de/de/13073.php)
   
  

• Aus dem Themenbereich Hightech-Strategie

  Grid-Anwendungen und -infrastruktur

  Die Erweiterung des Internet um die Grid-Ressourcen wird zukünftig allen den Zugriff auf die Rechnerleistung großer Computer und auf die internationalen Daten- und Wissensbanken ermöglichen.
  mehr (URL: http://www.bmbf.de/de/13070.php)