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Supercomputer der Zukunft: EU-Projekt verbessert Energieeffizienz beim Hochleistungsrechnen

Das im Rahmen des RP7 finanzierte EXA2GREEN-Projekt ebnet den Weg für Exascale-Supercomputer, indem die Energieeffizienz beim Hochleistungsrechnen verbessert wird.

Exascale-Computer, die Supercomputer der Zukunft, werden in der Lage sein, mindestens 10 Trillionen Operationen pro Sekunde auszuführen. Die Arbeitsgeschwindigkeit im Exascalebereich ist unvorstellbar hoch und lässt darauf hoffen, dass bahnbrechende Fortschritte beim Energiemanagement, bei der nationalen Sicherheit, beim Umweltschutz, in unserem Wirtschaftssystem und bei der Klärung fundamentaler wissenschaftlichen Fragen erzielt werden können. Der Weg zu den Exascale-Rechnern ist jedoch mit zahlreichen komplexen Herausforderungen wie etwa der Frage nach dem Energieverbrauch gepflastert. Das im Rahmen des RP7 finanzierte EXA2GREEN-Projekt hat sich dieser Herausforderung angenommen und entwickelt ein grundlegend neues, energiebewusstes Rechen- und Programmierverfahren, um im Bereich der Exascale-Supercomputer einen Paradigmenwechsel einzuläuten. Das interdisziplinäre EXA2GREEN-Forschungsteam, bestehend aus Experten im Hochleistungsrechnen (High Performance Computing, HPC) aus Deutschland, der Schweiz und Spanien, ist auf drei zentrale Aufgaben fokussiert: Erstens sollen Tools zur Messung der Leistung und des Energieverbrauchs von Rechensystemen entwickelt werden. Zweitens sollen bestehende, gängig verwendete Systemkerne analysiert und neue, energieeffiziente Algorithmen entwickelt werden. Drittens soll ein rechenintensives Klimamodell so optimiert werden, dass eine erhebliche Verringerung des Energieverbrauchs bei Klimasimulationen erreicht werden kann. Für dieses dritte Ziel greift das EXA2GREEN-Forschungsteam auf das COSMO-ART-Wettervorhersagemodell zurück, das als Beispiel für ein rechenintensives Simulationssystem dient, dessen Energieprofil noch großen Optimierungsbedarf hat. Das Team hat jetzt zwei Drittel des Weges hinter sich gebracht und macht große Fortschritte. Im Zuge des EXA2GREEN-Projekts wurde bereits ein Tool entwickelt, mit dem die Leistung und die Verlustleistung parallel verwendeter wissenschaftlicher Anwendungen analysiert werden kann. Das hilft Wissenschaftlern und Technikern letztlich dabei, ineffiziente Stromquellen zu lokalisieren und den Anwendungscode zu optimieren. Die Teammitglieder haben außerdem präzise Modelle zur Beschreibung und Vorhersage des Zeit-, Strom- und Energieverbrauchs mehrerer elementarer Rechenkerne entwickelt und darüber hinaus den Energieverbrauch sowie das Leistungsprofil des COSMO-ART-Systems auf verschiedenen HPC-Plattformen untersucht. Professor Vincent Heuveline, Leiter des EXA2GREEN-Projekts an der Universität Heidelberg, betont, wie wichtig für die bisherigen Projekterfolge die Zusammenarbeit gewesen ist. Heuveline meint hierzu: "Unser interdisziplinäres Projektkonsortium setzt sich aus Partnern aus den Bereichen Hochleistungsrechnen, Computerwissenschaften, Mathematik, Physik und Maschinenbau zusammen. Die Partner tragen bei der Zusammenarbeit durch ihre spezifischen Kompetenzen dazu bei, dass Forschungsthemen angepackt werden können." Professor Heuveline kommt jedoch nicht umhin zu erklären, dass das EXA2GREEN-Projekt bisher nicht gänzlich reibungslos verlief: "Die derzeitigen Computerarchitekturen in großen HPC-Systemen verbrauchen Unmengen an Energie. Es kann sich sehr schwierig gestalten, sämtliche potenziellen Stromabfälle in diesen Plattformen zu untersuchen und nachzuvollziehen. Um einen Überblick über den Stromverbrauch der Anwendungen zu bekommen, verwenden wir zwei Typen von Leistungsmessgeräten – externe und interne Strommesser – und wir sammeln zusätzliche Informationen über Hardwaresensoren. Indem wir die Daten von verschiedenen Messungen kombinieren, erhalten wir einen detaillierten Überblick über den Stromverbrauch." Für das letzte Projektjahr sind viele Entwicklungen eingeplant. Einer der nächsten Schritte besteht darin, das Wissen, das während der ersten Projektphase zur Entwicklung energiebewusster Anwendungen erlangt wurde, zu nutzen, um entsprechende Algorithmen zu implementieren. Das Team wird außerdem die Strom-Leistungs-Messplattform zur Arbeit an einer Energiebewertung des COSMO-ART-Modellsystems heranziehen und versuchen, energiebewusste Verfahren anzuwenden, wenn sich die Möglichkeit hierzu ergibt. Das EXA2GREEN-Projektteam ist zuversichtlich, dass die Arbeit einen wertvollen Beitrag dazu leistet, die Maschinen von heute zu verbessern und in Zukunft ein energieeffizienteres Exascalerechnen zu realisieren. Professor Heuveline meint hierzu: "Abgesehen von dem offensichtlichen intrinsischen Wert neuer energiebewusster Algorithmen, mit denen es möglich ist, die gleichen Probleme mit einem geringeren Energieverbrauch zu lösen, ist diese Arbeit auch extrem wichtig, um eine neue, ganzheitliche Perspektive für energiebewusste Rechensysteme zu schaffen. Unser oberstes Ziel besteht nicht nur darin, die heutigen Maschinen besser nutzen zu können, sondern auch darin, die Entwicklung von Hardware und von Algorithmen der nächsten Generation in die richtige Bahn zu lenken, um die Exascale-Supercomputer der Zukunft hervorzubringen." Das EXA2GREEN-Projekt ist Teil der proaktiven FET-Initiative aus dem Bereich neue und künftige Technologien "FET (Future and Emerging Technologies) Proactive Initiative: Minimising Energy Consumption of Computing to the Limit." Weitere Informationen sind abrufbar unter: http://exa2green-project.eu/

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Deutschland

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10 April 2018