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Ein neues Kronjuwel

In diesen Tagen geht in Jülich der momentan schnellste deutsche Superrechner an den Start. JUWELS ist eine echte Neuerung aus Europa. Er zählt zu einer neuen Generation von hochflexiblen modularen Supercomputern, die Jülicher Experten gemeinsam mit ihren Partnern speziell für Wissenschaftler entwickeln.  



Supercomputer wachsen mit ihren wissenschaftlichen Aufgaben und die Aufgaben mit den Supercomputern. Wurden in der Vergangenheit leistungsfähige Großrechner überwiegend für rechenintensive Simulationen genutzt, sind heute zusätzlich andere Stärken und Fähigkeiten gefragt. Man denke an die Auswertung großer Datenmengen oder Methoden der künstlichen Intelligenz. Der „Jülich Wizard for European Leadership Science“, kurz JUWELS, ist daher als modularer Supercomputer ausgelegt.

Modulare Architektur

Das am Jülich Supercomputing Centre (JSC) verwirklichte modulare Konzept, das in langjähriger Zusammenarbeit mit der deutschen Softwarefirma ParTec entwickelt wurde, sieht einen Superrechner aus mehreren spezialisierten Bausteinen vor, die sich über eine einheitliche Software je nach Bedarf dynamisch kombinieren lassen. Mit dem Superrechner JURECA hat das JSC seit letztem Jahr bereits einen ersten Superrechner in Betrieb, der aus mehreren Modulen besteht. Mit JUWELS folgt nun ein weiteres, noch deutlich leistungsstärkeres modulares System, das den Jülicher Superrechner JUQUEEN ersetzt, den einst schnellsten Supercomputer Europas.

Moderne ParallelrechnerModerne Parallelrechner bestehen aus einer großen Zahl von vernetzten Einzelrechnern. Sie werden auch als Rechenknoten bezeichnet. Auf ihnen sitzen die Prozessoren (CPUs), der zugehörige Speicher und zusätzliche Komponenten wie Speicherweiterungen oder Beschleunigerkarten mit Grafik- oder speziellen Beschleunigerprozessoren. Bei einem modularen Superrechner werden diese zusätzlichen Komponenten nicht mehr über Erweiterungskarten an den Standard-Rechenknoten verankert. Stattdessen werden sie zu eigenständigen, spezialisierten Modulen zusammengefasst, die sich je nach Bedarf dynamisch den Standard-Rechenknoten zuordnen lassen. So lassen sich einer Anwendung auf optimale Weise genau die Ressourcen zuteilen, die für ein gegebenes Programmteil effizient sind und welche die Anwendung tatsächlich benötigt, insbesondere auch ohne – wie bisher – Komponenten ungenutzt zu lassen oder zu blockieren.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Universell nutzbares Cluster-Modul

Für JUWELS sind mehrere Module vorgesehen. Das erste, das sogenannte Cluster-Modul, wurde jetzt von der europäischen Firma Atos gemeinsam mit den Softwarespezialisten von ParTec geliefert. Es alleine kommt bereits auf eine theoretische Spitzenleistung von bis zu 12 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde, abgekürzt Petaflops, was in etwa der Rechenleistung von 60.000 modernen PCs entspricht.

Das Cluster-Modul erreichte bei ersten Testläufen für die TOP500-Liste der schnellsten Rechner der Welt eine Rechengeschwindigkeit von 6,2 Petaflops, obwohl es gar nicht auf Geschwindigkeit, sondern auf Flexibilität und Universalität ausgelegt ist. Damit rangiert das System derzeit als schnellster deutscher Rechner auf der aktuellen TOP500, auf der es insgesamt den 23. Platz belegt.

Booster-Modul für extreme Rechenleistung

Aufbau des ersten Moduls von JUWELSAufbau des ersten Moduls von JUWELS im Frühjahr 2018. Gut erkennbar: die Schläuche für die Warmwasserkühlung (rechts). Sie erlaubt es, den Großteil der Abwärme ohne zusätzliche Kälteerzeuger direkt mit der Außenluft zu kühlen. Das spart jede Menge Energie.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer

Für 2019 ist eine Booster-Erweiterung geplant, die die die Rechenleistung noch einmal vervielfältigen wird. Dieses Booster-Modul wird für massiv parallele Anwendungen ausgelegt sein, die sich gut mit einer großen Zahl von extrem energieeffizienten Rechenkernen bearbeiten lassen, wie sie z.B. durch Graphikkarten realisierbar sind. Das Ganze funktioniert so ähnlich wie ein Turbolader. „Komplexe Teile des Codes, die sich nur schwer gleichzeitig auf einer Vielzahl von Prozessoren berechnen lassen, werden auf dem Cluster ausgeführt. Einfachere Programmteile, die parallel mit größerer Effizienz bearbeitet werden können, die also besser skalieren, werden auf das Booster-Modul ausgelagert“, erläutert Dr. Dorian Krause, verantwortlicher Abteilungsleiter für Aufbau und Betrieb von JUWELS am JSC.


Vielfältige Anwendungen

Der neue Rechner ist bei europäischen Forschern schon jetzt hochbegehrt. 87 Projekte wurden bereits vergeben. Für die nächsten Monate ist er komplett ausgebucht. Das System wird unter anderem für Simulationen in der Hirnforschung verwendet, etwa im Human Brain Project, in dem Prof. Katrin Amunts aus Jülich die wissenschaftliche Leitung wahrnimmt, sowie für die Entwicklung neuer Medikamente und das Design zukünftiger Materialien. Wissenschaftler im Bereich der Erdsystemforschung nutzen das System zudem für die Entwicklung von hochauflösenden Klimamodellen der nächsten Generation. Viele weitere Anwendungen stammen aus den Ingenieurswissenschaften, den Lebenswissenschaften, der Sicherheitsforschung sowie der Astronomie, Physik oder Chemie.

Computergestützte Analyse der Nervenfaserbahnen (mittels „Polarized Light Imaging“) im Human Brain Project.Computergestützte Analyse der Nervenfaserbahnen (mittels „Polarized Light Imaging“) im Human Brain Project.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Markus Axer

Das innovative Konzept kommt aus aus Europa

Das anpassungsfähige modulare Design von JUWELS geht auf die von der EU finanzierten DEEP-Projekte zurück, in denen Experten des JSC seit 2011 mit fast 30 europäischen Partnern zusammenarbeiten. „Die Grundidee des Modularen Konzepts ist ähnlich wie beim Hausbau. Anstatt ausschließlich teure, hochspezialisierte Facharbeiter zu beschäftigen, übergibt man den Experten nur die komplizierten, kritischen Arbeiten wie die Elektroinstallation. Einfachere Handgriffe werden dann von weniger teuren Arbeitern erledigt“, erklärt Projektleiterin Dr. Estela Suarez vom JSC.

Dr. Estela Suarez vom JSCDr. Estela Suarez vom JSC
Copyright:  Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Bis Ende nächsten Jahres wollen die Experten im aktuellen Projekt DEEP-EST verschiedene Prototypen für weitere Modularchitekturen bauen, unter anderem für ein Data-Analytics-Moduls. Mit einer hohen Speicherkapazität und verschiedenen Beschleuniger-Prozessoren, etwa sogenannten FPGAs, wird dieses Modul speziell auf die Anforderungen für Big Data und High-Performance Data Analytics (HPDA) zugeschnitten sein.

Tests werden zeigen, wie sich dieses erweiterte modulare Konzept in der Praxis schlägt. So simulieren die Experten auf dem Prototypen-System gemeinsam mit Forschern der KU Leuven die Auswirkung von Sonnenstürmen auf die Erde. Derartige Ereignisse finden nur selten statt. Fest steht jedoch: Wenn ein solcher Teilchenstrom die Erde erreicht, drohen gewaltige Schäden, beispielsweise der Ausfall der Satellitenkommunikation und gestörte GPS-, Internet- und Telefonverbindungen bis hin zu großflächigen Ausfällen der Stromversorgung.

Die Erfassung und Simulation des Ereignisses ist hochkomplexDie Erfassung und Simulation des Ereignisses ist hochkomplex: Die Analyse der Sonnenaktivität wird dabei auf den Prototypen des Datenanalysemoduls ausgelagert, während die Ausbreitung des Teilchenstroms  auf dem Cluster berechnet wird. Die Simulation der Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld  wird zugleich auf Cluster und Booster nachgestellt.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Fotolia

 

Modell für Exascale-Computer

Mit dem Aufbau der modularen Superrechner JURECA und JUWELS und den DEEP-Forschungsprojekten nehmen Experten des JSC die Entwicklung der nächsten Generation von Superrechnern selbst in die Hand. Dabei arbeiten sie mit teils unterschiedlichen Partnern und Herstellern zusammen. Übergeordnetes Ziel ist die Entwicklung einer neuen, zukunftsweisenden modularen Architektur. Diese soll es ermöglichen, verschiedene Programmteile komplexer Simulationen und Analysen jeweils auf dem Modul laufen zu lassen, das dafür am besten geeignet ist.

„Das Modulare Supercomputing ist der Schlüssel zu einer zukunftsträchtigen, bezahlbaren und energieeffizienten Supercomputer-Technologie, mit der sich insbesondere die kommenden Exascale-Systeme verwirklichen lassen“, so Lippert.
Der Bau eines Exascale-Rechners gilt weltweit als der nächste große Schritt auf dem Gebiet des High Performance Computing (HPC). Ein solcher Rechner ist mit einer Trillion (10^18) Rechenoperationen pro Sekunde noch um mindestens eine Größenordnung leistungsfähiger als die schnellsten Supercomputer von heute.

Auch Europa strebt im Rahmen der EuroHPC-Initiative die Entwicklung eines solchen Systems an, das weitgehend auf europäischer Technologie basiert. Die immense Rechenleistung künftiger Supercomputer soll unter anderem neue Möglichkeiten für die Vorhersage von Naturkatastrophen und Klimaveränderungen oder auch für neuer Therapien in der Medizin sowie zur Einbindung erneuerbarer Energien schaffen.

Supercomputer JUWELS in der Rechnerhalle des JSC Supercomputer JUWELS in der Rechnerhalle des JSC
Copyright: Forschungszentrum Jülich / R.-U. Limbach

 

Tobias Schlößer