Booster für Supercomputer der nächsten Generation

Superrechner sind heute ein unersetzbares Hilfsmittel in fast allen Forschungsgebieten. Doch die bisherigen Konzepte lassen sich nicht unbegrenzt ausreizen, ohne dass Aufwand und Kosten unverhältnismäßig steigen. In dem EU-Projekt Deep (Dynamical ExaScale Entry Platform) soll deshalb eine neue Plattform für Superrechner der nächsten Generation entstehen, mit Anwendungen unter anderem für die Hirnforschung, Klimawissenschaften und Erdbebenforschung. Das Projekt startet im Dezember dieses Jahres und wird am 17. November 2011 auf der wichtigsten Supercomputing-Konferenz weltweit, der SC’11 in Seattle, vorgestellt.

Wissenschaftler benötigen schon heute gigantische Rechenkapazitäten, um biologische Organe zu modellieren und immer vielschichtigere Modelle des Klimas, des Universums oder komplexer Bausteine der Materie zu entwickeln. Damit Europas Forschung auch in Zukunft auf die notwendigen Ressourcen im High Performance Computing (HPC) zugreifen kann, peilt das Forschungszentrum Jülich zusammen mit den Firmen Intel, Partec und 12 weiteren europäischen Partnern aus acht Ländern mit Deep bis zum Jahr 2020 den Eintritt in die Exaflop-Ära an. Mit einer Trillion Rechenoperationen pro Sekunde wäre ein solcher Exaflop-Computer rund tausendmal schneller als heutige Superrechner. Schon 2014/2015 erwarten die Wissenschaftler einen ersten Vorläufer mit der Leistung von 100 Petaflop pro Sekunde, rund hundertmal schneller als heutige Petaflop-Rechner wie etwa Jugene.

Mit der Exaflop-Klasse können Wissenschaftler Herausforderungen angehen, die heute noch utopisch wirken, wie die detaillierte Simulation des menschlichen Gehirns. Solche Leistungssteigerungen lassen sich allerdings nur durch paralleles Rechnen mit Millionen von Prozessoren erzielen. Mit heutiger Technik stiegen die Energiekosten dadurch ins Unbezahlbare. Um einen wirtschaftlichen Exascale-Rechner zu ermöglichen, werden die Forscher in dem mit acht Millionen Euro von der Europäischen Kommission geförderten Deep-Projekt die Vernetzung verschiedener Hardware-Komponenten optimieren und neue energiesparende Kühlsysteme integrieren.

Jülicher Wissenschaftler haben für Deep eine neuartige „Cluster Booster Architektur“ konzipiert. Ein wichtiges Element darin sind noch in der Entwicklung befindliche, speziell für das Parallelrechnen ausgelegte Prozessoren, die Intel Many Integrated Core (Mic) Architecture, mit 50 und mehr Rechenkernen auf einem Chip. Je 512 solcher Mic-Prozessoren werden durch ein von der Universität Heidelberg entwickeltes Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, genannt Extoll, vielfach untereinander zu einem Booster vernetzt, der das Gesamtsystem beschleunigt.

Der neue Ansatz berücksichtigt, dass großangelegte zukünftige Simulationen aus mehreren, verschiedenartigen Aufgabenteilen bestehen werden mit komplizierten Kommunikationsmustern zwischen den Prozessoren. Die Idee: Die komplexen Bestandteile eines Programms werden auf dem „Herzstück“ des Parallelrechners, einem Cluster mit Intel Xeon Server-Prozessoren ausgeführt. Einfache, hochparallele Programmteile, die nicht auf solche CPUs angewiesen sind, werden dagegen an die Booster-Module abgegeben, die mit ihrer großen Anzahl an einfacher strukturierten Rechenkernen derartige Aufgaben deutlich energieeffizienter berechnen können.

Aufbauend auf einer erweiterten Version dieses Cluster-Betriebssystems wird mit DEEP eine komplette Software-Umgebung für die neue Hardware-Architektur geschaffen. Neben Werkzeugen für Anwendungsentwickler wird im Rahmen des Projekts auch Anwendungssoftware für die Hirnforschung, Klimawissenschaften, Erdbebenforschung, Hochtemperatursupraleitung und das Computational Fluid Engineering auf die Plattform übertragen.

FZ Jülich / PH