Supercomputer
Einer für alle
Anders als das Jülicher Vorgängersystem JUQUEEN verfügt JUWELS über eine Warmwasserkühlung. Bild: Forschungszentrum Jülich
Im Forschungszentrum Jülich wird ein neuer Supercomputer in Betrieb genommen, einer der schnellsten Deutschlands. Seine Stärken entfaltet er aber auch noch woanders.
Der Neue im Forschungszentrum Jülich ist ein High-Performer. Bis zu zwölf Petaflops, also zwölf Billiarden Rechenoperationen, kann der Computer durchführen – pro Sekunde. Der "Jülich Wizard for European Leadership Science" – kurz: JUWELS – gehört damit auch weltweit in die Oberliga der sogenannten Supercomputer. Andere Modelle präsentieren auf dem Papier zwar noch spektakulärere Werte. Den derzeitigen Rekord hält ein chinesischer Rechner, der es auf bis zu 93 Petaflops bringt. "Isoliert betrachtet sagen solche Zahlen aber noch nicht viel über die Leistungsfähigkeit für die Forschungspraxis aus", erläutert Dorian Krause, der am Forschungszentrum Jülich den Bereich High-Performance Computing Systems leitet. "Solche Superrechner werden in der Forschung immer wichtiger und erfüllen immer vielfältigere Aufgaben." Da gehe es nicht ausschließlich um die Rechenleistung, sondern auch um weitere Qualitäten. "Und eben die Bandbreite seiner Stärken macht JUWELS zu einem sehr attraktiven Arbeitsgerät."
Keine thematischen Grenzen
Moderne Forschung stützt sich heutzutage auf drei Säulen: Neben Theorie und Experiment hat Simulation an Computern enorm an Bedeutung gewonnen. Superrechner haben sich als unverzichtbares Werkzeug in der Wissenschaft etabliert, etwa für die Entwicklung hochkomplexer Modelle in der Quantenphysik oder den Klima- und Neurowissenschaften. "Aber auch in anderen Bereichen wie Ingenieurswesen, Life Sciences, Astronomie oder Chemie werden Supercomputer immer häufiger genutzt", betont Krause. "Ihren Einsatzmöglichkeiten sind keine thematischen Grenzen gesetzt." So hat etwa das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt im März 2017 einen Superrechner für die Flugzeugforschung in Betrieb genommen.
Je nachdem, welche Aufgaben Forscher mit solch einem Rechner lösen wollen, sind dabei unterschiedliche Fähigkeiten gefragt. Mal wird große Rechenleistung benötigt, die sich anhand der Petaflops ablesen lässt. Ein andermal kommt es hingegen auf große Speicherkapazitäten an. In Jülich wurde Wert darauf gelegt, sich kein One-Trick-Pony zuzulegen, das bloß mit einer Stärke brilliert. JUWELS ist gut skalierbar: Das System kann durch Hinzufügen von Ressourcen in einem klar definierten Bereich proportional gesteigert werden, maßgeschneidert für die jeweilige Aufgabe. Das hochflexible Konzept ist ideal für die interdisziplinäre Spitzenforschung geeignet.
Forscher aller Fachrichtungen können mit dem Rechner arbeiten. Dazu stellen sie einen Antrag, der ihr Projekt vorstellt und aus dem hervorgeht, welche Kapazitäten von JUWELS dafür benötigt werden. Eine unabhängige Kommission vergibt dann Zeitfenster für die Nutzung des Supercomputers. Unter anderem wollen Wissenschaftler im Human Brain Project den Rechner nutzen. Das Forschungsprojekt der Europäischen Kommission soll das gesamte Wissen über das menschliche Gehirn zusammenfassen und mittels computerbasierten Modellen und Simulationen nachbilden.
JUQUEEN in der Rechnerhalle des Supercomputing Centre. Bild: Forschungszentrum Jülich
Energieeffizienter als Vorgängersystem
JUWELS besitzt eine neuartige, modulare Architektur, die die Experten des Jülich Supercomputing Centre gemeinsam mit Partnern entwickelt haben und auch künftig weiterentwickeln werden. Die verschiedenen Module des Superrechners sind für spezielle Aufgaben konzipiert worden und lösen diese sehr energieeffizient, "teilweise deutlich effizienter, als es mit konventionellen, einheitlichen Architekturen möglich ist", so Krause. Anders als das Jülicher Vorgängersystem JUQUEEN verfügt JUWELS über eine Warmwasserkühlung, die ohne zusätzliche Kälteerzeuger direkt an der Außenluft abkühlt und dadurch Energie spart. Die Forscher rechnen mit einem Verbrauch von 1,5 bis 1,6 Megawatt. Das entspricht etwa einem Zehntel des chinesischen Rechenprotzes.
In der ersten Hälfte des Jahres 2018 wird zunächst der sogenannte Cluster-Part installiert. Dieser erste Teil des Rechners ist bereits eigenständig voll funktionsfähig. Innerhalb von zwei Jahren kommt ein weiteres Modul hinzu. "Dieses wird mit einer großen Anzahl von relativ langsamen, dafür aber besonders energieeffizienten Rechenkernen auf höchste Rechenleistung getrimmt sein.", sagt Krause. "Das ermöglicht es uns, einfache Programmteile parallel mit größerer Effizienz zu bearbeiten." Das System wird im Rahmen des Gauss Centre for Supercomputing, dem die drei Rechenzentren des Forschungszentrums Jülich, der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Stuttgart angehören, als nationaler Höchstleistungsrechner betrieben werden.
Bislang haben vor allem die USA, China und Japan in Sachen Supercomputer die Nase vorn. Die EU will nun jedoch aufholen. Zu Beginn des Jahres gab die Europäische Kommission Pläne für "EuroHPC" bekannt (HPC für High Performance Computing): Bis 2023 soll ein Supercomputer mit der Leistungsfähigkeit von Spitzensystemen der globalen Top-500-Liste "auf der Grundlage von EU-Technologie" bereitstehen.
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