07.02.2023 • Energie

Energiesparen beim Hochleistungsrechnen

Verbundprojekt widmet sich neuen Methoden der Effizienzerhöhung von Rechenzentren.

Rechenzentren benötigen große Mengen an Energie. Im Verbund­projekt NAAICE (netzwerk­gekoppelte Beschleuniger für energieeffizientes heterogenes High-Performance Computing), das im September 2022 gestartet ist, arbeitet das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) daran, die Energieeffizienz von High-Performance-Computing- (HPC) Rechen­zentren zu steigern. Dafür benutzen die Forscher die am Institut entwickelte Technologie Network-Attached Accelerators (NAA). Dies erlaubt es, wieder­kehrende rechen­intensive Spezial­operationen auf angepasste Hardware auszulagern und so deutliche Energie­einsparung bei gleicher oder verbesserter Rechenleistung zu erreichen.

 

Abb.: Gerade große Rechenzentren sollen Energie sparen. (Bild: shutterstock /...
Abb.: Gerade große Rechenzentren sollen Energie sparen. (Bild: shutterstock / aimediaPL)

NAAICE läuft insgesamt für drei Jahre bis September 2025. Das Projekt wird vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderrichtlinie „GreenHPC“ mit 1,7 Mio. Euro finanziert. HPC gehört in vielen wissenschaftlichen Disziplinen zu den grundlegenden Forschungs­methoden. Es wird zum Beispiel in der Klima­modellierung, in der Astro­physik oder in der Biologie eingesetzt. HPC benötigt hohe Rechen­leistungen und dementsprechend große Energiemengen.

Um HPC-Anwendungen nachhaltiger zu gestalten, arbeitet das NAAICE-Team daran, Kapazitäten in HPC-Rechenzentren effizienter einzusetzen. Herkömmliche Rechenzentren haben eine homogene System­architektur. Das bedeutet, dass alle verwendeten Rechner auf den gleichen Standard­komponenten aufgebaut sind und für eine Vielzahl von Abläufen eingesetzt werden können. HPC-Anwendungen benutzen meist nur spezielle Teile eines Standard-Computers. So geht mit dieser System­architektur viel Kapazität verloren.

Ziel des NAAICE-Projekts ist es, eine heterogene System­architektur aufzubauen, in der die Computer für Spezialanwendungen flexibel ausgestattet werden. Dafür arbeitet das Team mit integrierter Schaltkreisen, Field Programmable Gate Array (FPGA). FPGAs unterscheiden sich von herkömmlichen Schalt­kreisen dadurch, dass sie kontinuierlich mit neuen Funktionen ausgestattet werden können und somit sehr flexibel sind.

Kerntechnologie des Projekts ist das neuartige, auf FPGAs basierende Konzept des Network-Attached Accelerators (NAA). NAA wurden von der Gruppe „Eingebettete Systeme“ in der Abteilung „Videokommunikation und Applikationen“ am Fraunhofer HHI entwickelt. Im Gegensatz zu bisherigen Konzepten FPGAs in Rechenzentren einzubinden, sind NAAs von der engen Anbindung an Server­prozessoren entkoppelt und stattdessen dynamisch nutzbar direkt per Netzwerk angebunden. So bieten sie mehr Flexibilität und gleichzeitig einen geringeren Energie­verbrauch durch eine bessere Auslastung.

Im Rahmen des Projektes wird nun unter anderem Software entwickelt, um NAAs in HPC-Rechenzentren zu integrieren. Dabei müssen die Partner die Middleware und Laufzeit­umgebungen sowie das Ressourcen-Management-System (RMS) für das Energie-Monitoring der Rechen­zentren anpassen.

Neben dem Fraunhofer HHI sind die Universität Potsdam, das Zuse-Institut Berlin, das Geoforschungs­zentrum Potsdam und die PERFACCT GmbH am Projekt beteiligt. Die Ergebnisse werden bei Projektende als Open-Source-Software zu Verfügung gestellt.

HHI / DE

 

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