Supercomputing 2.0

Das Höchstleistungsrechnen hat die Art des Forschens revolutioniert. Neben der Theoriebildung und dem Experiment hat sich die Simulation längst als dritte Säule der Wissenschaft etabliert.

Hochleistungsrechner
Hochleistungsrechner © Boris Lehner Fotografie

Ob in der Medizin für die Entschlüsselung hochkomplexer Geheimnisse unseres Körpers (Brustkrebs-, Herz- und Asthmaforschung), ob im Umweltschutz bei der Optimierung von Verbrennungskraftwerken und Windkraftanlagen oder ob bei Crashtests zur Entwicklung sicherer Elektrofahrzeuge und Fahrassistenzsysteme: Die Anwendungsgebiete des Hochleistungsrechnens sind so mannigfaltig wie zukunftsweisend.

Für Wissenschaft und Industrie

Das Höchstleistungsrechnen ist mitentscheidend für den Erfolg unserer Wissenschaftslandschaft und unserer Industrie. Es trägt dazu bei, Deutschlands Spitzenstellung in den Schlüsseltechnologien auszubauen und Deutschland zum Vorreiter bei der Lösung der globalen Herausforderungen zu machen.

Es ist damit ein unverzichtbarer Baustein der Hightech-Strategie der Bundesregierung. Das Bundesforschungsministerium stärkt daher das Höchstleistungsrechnen als Basis für wissenschaftliche Exzellenz in Deutschland und Wertschöpfungspotenziale der Wirtschaft durch den Ausbau der Höchstleistungsrechenkapazitäten, Infrastruktur und Technologie.

Verbesserung der Software

Ein Großteil der Leistungssteigerungen im Höchstleistungsrechnen wird heute jedoch nicht mehr durch die Weiterentwicklung der Hardware allein, sondern vor allem durch intelligente, angepasste und spezifische Software erreicht. Neue Ansätze für die Entwicklung von Algorithmen und Modellen, von Simulationssoftware und auch von Betriebssystemen, Laufzeitumgebungen und Datenmanagementsystemen stehen vor ganz neuen Aufgaben. Um diese Herausforderungen anzugehen, förderte das Bundesforschungsministerium seit 2007 über 50 Vorhaben mit Partnern aus der Wissenschaft und der Industrie mit bisher rund 70 Millionen Euro. Damit konnte die Weiterentwicklung des Höchstleistungsrechnens vorangebracht und gleichzeitig die notwendige Methodenkompetenz im Bereich der HPC-Software gestärkt werden.

Erfolge im Höchstleistungsrechnen werden jedoch nicht durch die Rechner oder die Software selbst erzielt, sondern durch deren Anwender: die Wissenschaftler der verschiedensten Disziplinen, die das Höchstleistungsrechnen als eine Methode zum Erkenntnisgewinn in ihrem eigenen Forschungsfeld nutzen, zum Beispiel der Physik, den Lebenswissenschaften oder den Ingenieurswissenschaften. Augenmerk wird daher seitens des Bundesministeriums immer auch darauf gelegt, dass sich alle Entwicklungen im Bereich des Höchstleistungsrechnens an den Bedürfnissen seiner Anwender orientieren.

Höchstleistungen im nationalen Verbund

Bereits 2007 begann die Förderung der Infrastruktur und Technologie des Höchstleistungsrechnens in Deutschland und die Gründung des „Gauss Centre for Supercomputing“. So wurden ein erfahrener und innovativer Partner und die notwendige Rechner-Infrastruktur geschaffen, um die schwierigsten Fragen unserer Zeit beantworten zu können. Die drei leistungsfähigsten Supercomputer Deutschlands sind unter dem Dach des Gauss Centre for Supercomputing (GCS) vereint. Ihm gehören das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS), das Leibniz Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching bei München (LRZ) und das Jülicher Supercomputing Centre (JSC) mit ihren Systemen an. Grundlage für diese Allianz ist eine Initiative des Bundesforschungsministeriums zusammen mit den Wissenschaftsministern von Baden-Württemberg, Bayern und Nordrhein-Westfalen zu einem Zusammenschluss der drei Standorte zu einem Verbund.

Höchstleistungsrechnen ist längst zu einer unverzichtbaren Schlüsseltechnologie gewachsen, welche Wissenschaft und Wirtschaft nachhaltig vorantreibt. Vor allem in diesen Bereichen sind hohe Innovationsvolatilität und enorme technologische Weiterentwicklungen an der Tagesordnung.

Folgerichtig geht die Förderung des Höchstleistungsrechnens in Deutschland seit Beginn 2017 in die zweite Runde – Supercomputing 2.0. Es geht neben den weiteren schrittweisen Ausbau der Infrastruktur auch um die Weiterentwicklung von Rechnerstrukturen und Softwaretechnologien, welche sich weiterhin weltweit auf Spitzenniveau bewegen werden. Darauf haben sich der Bund und die Länder der beteiligten Rechenzentren in einem 2016 neu aufgelegten Verwaltungsabkommen geeinigt. Mit über 225 Millionen Euro unterstützt der Bund dieses wichtige Vorhaben und verdoppelt den Beitrag der Länder.

Mehr als zwanzig Petaflops

Deutschen Forschern stehen mit den drei Supercomputern HazelHen in Stuttgart (7,4 Petaflops), dem SuperMUC in München (6,8 Petaflops) und JUQUEEN in Jülich (5,9 Petaflops) eine noch nie dagewesene Rechenkapazität von insgesamt 20 Petaflops zur Verfügung, die jeweils recht spezifisch auf unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte abgestimmt sind. Damit verfügt Deutschland über eine europaweit einzigartige Systeminfrastruktur der höchsten Leistungsklasse. An weiteren Ausbaustufen wird in den Höchstleistungsrechenzentren des GCS-Verbundes bereits gearbeitet. Geplant ist das Verfünffachen dieser Leistung in den nächsten Jahren.

Parallel zum Ausbau der Supercomputerkapazitäten werden die Nutzer dieser neuartigen Rechner durch ein spezielles Servicekonzept des Gauss Centre for Supercomputing begleitet: Die Wissenschaftler der verschiedenster Disziplinen, zum Beispiel der Klimaforschung, den Neurowissenschaften, der computergestützten Biologie, der Physik oder den Ingenieurswissenschaften, werden durch Schulungen, Workshops und eine intensive Betreuung bei der Implementierung und Optimierung ihrer Software für die Anwendung auf den Supercomputern unterstützt.

Trotz des massiven Ausbaus der Supercomputerkapazitäten kann die aktuelle Nachfrage an Rechenzeit kaum befriedigt werden. Um diesen großen Andrang zu bewältigen, haben die GCS-Partner eine gemeinsame Vergabestruktur etabliert.

Europäisches Computer-Netzwerk Prace

Für die internationale Wettbewerbsfähigkeit der Wissenschaft in Deutschland kommt es zunehmend auf eine strategische Allianz der unterschiedlich ausgeprägten Höchstleistungsrechner an. Die auf deutscher Seite begonnene Vernetzung wird auch auf EU-Ebene vorangetrieben. Zusammen mit Vertretern aus 11 europäischen Ländern und der EU-Kommission entstand eine gemeinsame Initiative für die Bündelung der europäischen Kompetenzen im Höchstleistungsrechnen.

Basierend auf einem Memorandum of Understanding wurde das europäische Supercomputing-Netzwerk "Partnership for Advanced Computing in Europe" (PRACE) Ende 2011 offiziell gegründet. Heute zählt es bereits Mitglieder aus 25 Ländern. Dieses Netzwerk ermöglicht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Europa einen optimalen Zugang zum Höchstleistungsrechnen auf Supercomputern in Deutschland, Frankreich, Spanien und Italien. Deutschland stellte in der ersten Phase bis 2016 über das Gauss Centre for Supercomputing Höchstleistungsrechenressourcen im Wert von rund 100 Millionen Euro für das europäische Supercomputing-Netzwerk PRACE zur Verfügung. Hierdurch konnten 412 Forschungsprojekte, die aufgrund ihrer wissenschaftlichen Exzellenz ausgewählt wurden, erfolgreich durchgeführt werden. Diese Projekte leisteten einen enormen Forschungs- und Entwicklungsbeitrag vor allem in den Bereichen Klimaforschung, Astrophysik, Materialwissenschaften, Lebenswissenschaften und Energiewissenschaften. Weiterhin konnten 5000 Wissenschaftler in den sechs PRACE-Trainingszentren eine Fortbildung erhalten.

Nach dem Erfolg der ersten Phase wird nun über eine zweite Phase verhandelt bei der sich neben Deutschland, Frankreich, Spanien und Italien auch die Schweiz bereit erklärt hat, Höchstleistungsressourcen bereitzustellen.