Ein neues Datenspeichersystem macht das Hochleistungsrechnen im Exa-Maßstab zum Kinderspiel
Supercomputer sind Maschinen mit vielen (heutzutage tausenden) parallel arbeitenden Prozessoren, die eine weitaus höhere Rechenleistung als normale Computer erzielen. Die neueste Generation ist unter dem Begriff Exascale-Supercomputer bekannt. Die neuesten Maschinen, die über eine Rechenleistung von mehr als einer Milliarde Berechnungen pro Sekunde verfügen, sind tausend Mal schneller als die besten Maschinen noch vor einem Jahrzehnt. Solche Geräte werden in Forschungsgebieten eingesetzt, die eine ultimative Rechenleistung erfordern, wie z. B. Wetter-/Klimastudien, Genomik und die Simulation des menschlichen Gehirns. Aktuelle Datenverwaltungstechnologien haben mit den Anforderungen von Supercomputern bereits zu kämpfen. Ein herkömmlicher Hochleistungs-Supercomputer macht beispielsweise eine Simulation auf mehr als 8 000 Prozessoren möglich, wodurch täglich 25 TB an Daten erzeugt werden. Durch die Verarbeitung der Rohdaten wird diese Menge sogar noch verdoppelt oder verdreifacht. Einige Anwendungen müssen bereits Hunderte Terabyte lesen. Mit Exascale-Supercomputern werden nun Anwendungen, die Datenmengen im Petabyte-Bereich (1 000 TB) erzeugen, zur Norm. Computer speichern Daten in der Regel an einem Ort und verschieben sie zur Analyse oder Verarbeitung an einen anderen. Selbst bei den besten verfügbaren Netzwerken kann das Verschieben von Terabyte oder Petabyte an Daten viele Stunden dauern. Dies ist ein schwerwiegender Engpass. Darüber hinaus erfordert die Datenbewegung enorme Mengen an Energie im Bereich von mehreren Hundert Megawatt. Beseitigung des Engpasses Das EU-finanzierte Projekt SAGE entwickelte ein neues Datenspeichersystem, das den Anforderungen des Hochleistungsrechnens im Exa-Maßstab gerecht wird. Die Innovation reduziert den Datentransport auf ein Minimum. „Statt Daten zu verschieben, verlagert unser System den Rechenprozess in das Speichersystem“, erklärt Projektleiter Dr. Sai Narasimhamurthy. Dabei können Daten im oder nahe am Speicherort verarbeitet und Hochleistungsrechenanwendungen bei Bedarf auf Analysemodule reduziert werden. Das „intelligente Speichersystem“ von SAGE trägt zudem zur Optimierung der Datenspeicherung bei. Daten können auf jeder beliebigen Ebene gespeichert werden, einschließlich herkömmlicher Festplatten, Solid-State-Festplatten und nichtflüchtiger Datenspeicher. Jede Ebene zeichnet sich durch bestimmte Leistungseigenschaften aus. Das SAGE-System verschiebt Daten zur richtigen Zeit auf die Ebene mit den passenden Leistungsmerkmalen, wodurch die allgemeine Leistung verbessert wird. Die Kombination beider Aspekte bedeutet Flexibilität und Vielseitigkeit. So können Anwendungen mit verschiedenen komplexen Datenformaten diverse Datenverwaltungsinstrumente nutzen. Daraus ergibt sich eine leistungsfähige und erweiterbare Programmierschnittstelle, die ebenfalls durch das SAGE-Team entwickelt wurde. Demonstration des Prototyps „Unser Prototyp war ‚sehr klein‘ und konnte nur weniger als ein halbes Petabyte an Daten verarbeiten“, fügt Dr. Narasimhamurthy hinzu. „Außerdem ist unsere Software noch nicht ausgereift.“ Daher ist es unrealistisch, die Leistung des Prototyps mit großen Produktionsclustern zu vergleichen. Stattdessen konzentrierte sich das Team vor allem darauf, zu zeigen, dass die Methoden und Techniken funktionieren; und da sie dies tun, kann der Prototyp auch problemlos auf eine größere Speicherkapazität aufgerüstet werden. Die Resonanz aus der Wissenschaftsgemeinde war sehr positiv. Nach der erfolgreichen Demonstration soll das Projekt im Rahmen von Sage2 fortgesetzt werden. Das neue Projekt wird den Prototyp von SAGE weiterentwickeln und nach neuen Wegen zur Nutzung von verteiltem nichtflüchtigen Speicherplatz suchen. Darüber hinaus sollen Anwendungen von Exascale-Supercomputern in den Bereichen künstliche Intelligenz und „tiefes Lernen“ untersucht werden. Durch das SAGE-System werden Engpässe, die sich auf die Leistung von Exascale-Supercomputern auswirken, beseitigt oder stark reduziert, so dass die Maschinen näher an die volle Geschwindigkeit herankommen. Schließlich wird auch erwartet, dass der Stromverbrauch gegenüber aktuellen Systemen um das Hundertfache gesenkt wird. Der weltweite Markt für Hochleistungs-Arbeitsspeicher wird 2021 voraussichtlich 6 Mrd. USD erreichen. Und der Markt für Big-Data-Analysen und Cloud-Speicherung wird sogar noch größer sein. Die SAGE-Projekte werden auf die europäischen Komponenten beider Märkte abzielen.
Schlüsselbegriffe
SAGE, Supercomputer, Exascale, im Exa-Maßstab, Engpass, Petabyte, Datenspeicherung, Datentransport, intelligente Speicherung
