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Feature Stories - Vereinte Supercomputer simulieren Sonne, Klima und den Körper des Menschen

Simulation wird - getrieben von der Rechenleistung der Supercomputer - neben Theorie und Experimenten immer mehr zur dritten Säule wissenschaftlicher Forschung. Europäische Wissenschaftler können nun dank EU-finanzierter Forschung, die eine europäische Infrastruktur für das Supercomputing entwickelt hat, die Fusion in der Sonne simulieren, neue Klimamodelle erschaffen und auch einen biologisch korrekten virtuellen Menschen nachbilden

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Diese Resultate wurden durch die Anstrengungen möglich, die innerhalb des DEISA-Projekts ("Distributed European infrastructure for supercomputing applications") unternommen wurden, das nun innerhalb von sieben Jahren zwei Phasen abgeschlossen hat. Aus der Arbeit ergab sich eine der modernsten verteilten Hochleistungsrechenanlagen (High performance computing, HPC) weltweit. Diese Infrastruktur hat über die letzten Jahrzehnte hinweg der europäischen Simulationswissenschaft immer wieder einen bedeutenden Anschub verliehen. Und da Europa plant, in den nächsten fünf Jahren fast 500 Millionen EUR auf diesem Gebiet zu investieren, dürfte diese starke Position voraussichtlich auch gehalten werden. In der ersten Phase des Projekts wurden zunächst Europas modernste Hochleistungsrechenzentren in Deutschland, Spanien, Frankreich, Italien, den Niederlanden, Finnland und dem Vereinigten Königreich miteinander verbunden, insgesamt elf Supercomputing-Zentren. Die physischen Vernetzungen wurden unter Nutzung des GÉANT-Netzes und der Nationalen Forschungs- und Bildungsnetze (National research and education networks, NREN) aufgebaut. GÉANT ist das mit hoher Bandbreite arbeitende akademische Multi-Gigabit-Forschungsnetz der europäischen Forschungs- und Bildungsgemeinschaft. Es verbindet mehr als 40 Millionen Forscher in 40 europäischen Ländern und stellt Verbindungen zu vielen anderen Regionen der Welt her. Das Netzwerk hat Bandbreiten bis zu 40 Gigabit pro Sekunde (Gbps) zu bieten. Inzwischen bieten die Nationalen Forschungs- und Bildungsnetze Datenkommunikations-Vernetzungsmöglichkeiten für die nationalen Forschungs- und Bildungsgemeinschaften an. Die DEISA-Wissenschaftler gingen dabei noch viel weiter, als lediglich Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen Computern herzustellen. "Vorher hatte man verschiedene Supercomputer mit unterschiedlicher Software und unterschiedlichem Dateiaufbau: Es war ein Alptraum, von einem Supercomputer aus an einem anderen zu arbeiten", erklärt Hermann Lederer vom Koordinationsteam des DEISA2-Projekts. "DEISA konnte die Infrastruktur harmonisieren und es den Wissenschaftlern viel einfacher machen, das Beste aus ihrer Rechenzeit herauszuholen." DEISA1 begann den Harmonisierungsprozess; während DEISA2 diesen konsolidierte und erweiterte und die Anwendungsunterstützung festigte. "Wir holten uns Spezialisten zu jedem der Hochleistungsrechensysteme in das Konsortium, sodass wir Forschungsprogramme für den bestgeeignetsten Supercomputer passend zum Job aufstellen und Fachwissen anbieten [können], das die allerbeste Leistung aus diesem System herausholen kann. Wir haben sogar für Anwendungsunterstützung gesorgt, die die Software für eine ganz bestimmte Forschungsaufgabe optimieren kann", ergänzt Dr. Lederer. Das Projekt gründete außerdem die DECI-Initiative ("DEISA extreme computing initiative"). Das DEISA-Konsortium rief DECI im Mai 2005 ins Leben, um den Einfluss des Projekts auf Wissenschaft und Technik zu verstärken. Hauptaufgabe war die Bereitstellung umfangreicher Rechenressourcen, um die wirklich großen, herausfordernden Anwendungen in allen Bereichen von Wissenschaft und Technik bewältigen zu können. Das Programm war äußerst erfolgreich und wurde in seinem sechsten Aufruf massiv überbeansprucht. Es beteiligten sich Forscher mit 121 Vorschlägen; es wurden eine halbe Milliarde Compute-Stunden angefordert, die ein Maß für den Supercomputer-Ressourceneinsatz darstellen. Es standen 91 Millionen Compute-Stunden zur Verfügung, weniger als ein Sechstel des Bedarfs. So wurden 56 Projekte ausgewählt. "Wir wählen wissenschaftliche Forschungsthemen auf Basis eines zweifachen Begutachtungsverfahrens aus. Peer-Review gewährleistet den wissenschaftlichen Wert der vorgeschlagenen Forschung, während eine technische Begutachtung darüber entscheidet, ob es sich um eine realisierbare oder geeignete Supercomputing-Anwendung handelt", so Dr. Lederer. Ist ein Forschungsprojekt ausgewählt, sichert DEISA die besten Hochleistungsrechner für die Aufgabe und stellt den Wissenschaftlern technische Unterstützung zur Verfügung, um die Anwendungen für das jeweilige Forschungsziel zu optimieren. DEISA konnte die nationalen Hochleistungsrechner-Dienstleistungen stark erweitern und ergänzen, indem nicht nur der beste Supercomputer für die entsprechende Aufgabe bereitgestellt wurde, sondern auch die Geschwindigkeit des wissenschaftlichen Vorankommens beschleunigt werden konnte. Eine Forschungslücke "Einige Projekte, die wir befürworten, könnten auch an den nationalen Hochleistungsrecheneinrichtungen der Forscher laufen, aber dort gibt es möglicherweise lange Wartelisten, starke Überbeanspruchungen oder nicht so gut geeignete Architekturen", sagt Dr. Lederer. "In wetteifernden wissenschaftlichen Bereichen, die auf große Simulationen angewiesen sind, könnte dies ein ernsthaftes Problem werden, und so kann der Forscher einen Vorschlag an die DECI einreichen." Und da im DEISA-Konsortium Europas größte Superrechenzentren vertreten sind, wissen die Forscher, dass bei einem der Partner die modernsten Computer zur Verfügung stehen. Dies ist ein hochwichtiger Punkt, denn die Rechenleistung steigt rapide und nur zu schnell ist der Supercomputer von heute morgen schon veraltet. Die Technik schreitet dermaßen schnell voran, dass sich derzeit eine Forschungslücke auftut. Die Prozessoren haben bereits Geschwindigkeiten von drei Gigahertz erreicht, aber Probleme mit der Energieversorgung lassen ahnen, dass sie nicht mehr viel schneller werden können. Mehrkernprozessoren bieten einen alternativen Upgrade-Pfad an, der - verbunden mit Parallelisierung - einen anderen Weg zur einer schnelleren Datenverarbeitung weist. Aber es fehlt noch an Grundlagenforschung zu einer substanziellen Steigerung der Anwendungsparallelisierung. "Wir könnten sicher Forschungsmittel gezielt für neue, höchst parallelisierbare Algorithmen einsetzen, um die klügsten Mathematiker, Informatiker und Rechenspezialisten zu gewinnen und auf diese Herausforderung anzusetzen", ist Dr. Lederer zuversichtlich. "Wenn dieses Thema jetzt nicht in Angriff genommen wird, wird es in ein paar Jahren zum Problem werden", warnt er. DEISA2 beendete die Arbeit im April dieses Jahres; nun übernimmt PRACE ("Partnership for advanced computing in Europe") das Ruder. PRACE wird einen gesamteuropäischen HPC-Service weiterführen, bestehend aus bis zu sechs Spitzen-Führungssystemen (Tier-0), die in das von DEISA gegründete europäische HPC-Ökosystem integriert sind. Tier-0-Führungssysteme sind jene Supercomputer, die auf den ersten Plätzen unter den Top-500-Hochleistungscomputern der Welt zu finden sind. PRACE hat bereits zwei dieser Systeme in Betrieb genommen: das IBM Blue Gene/P-System (1 Petaflop/s) am Jülich Supercomputing Centre (JSC) in Deutschland und das BULL-System (1,6 Petaflop/s) mit der Bezeichnung CURIE am neuen Trés Grand Centre de Calcul (TGCC) in Frankreich. PRACE erhielt für die Tier-0-Systeme innerhalb der nächsten fünf Jahre 400 Millionen EUR an nationalen Finanzmitteln. Die Europäische Kommission wird über die gesamte Lebensdauer der PRACE-Projektfamilie (PRACE, PRACE 1IP, PRACE 2IP) zusätzliche Mittel in Höhe von insgesamt 70 Mio. EUR bereitstellen. "DECI wird fortgesetzt - es läuft tatsächlich immer noch mit dem DEISA-Team weiter, welches das Programm freiwillig am Leben erhält, bis PRACE 2IP im September den Job übernimmt", wie Dr. Lederer berichtet: "Aber jetzt wird es als die 'Distributed European Computing Initiative' - die Initiative zum verteilten Rechnen in Europa - bekannt sein. Der Begriff "Höchstleistung" bleibt den Tier-0-Supercomputern vorbehalten." Forschung und Investitionen zum Thema Hochleistungsrechnen wie im Fall von DEISA sind besonders wertvoll, da sie mehreren Funktionen dienen. Erstens wird das wissenschaftliche Rechnen direkt vorangebracht; es werden grundlegende Probleme der Anwendungsentwicklung, Netzwerke, Informatik und Mathematik angegangen. Zweitens wurde Spitzenforschung in jeglicher denkbaren wissenschaftlichen Disziplin ermöglicht und wird weiterhin - insbesondere in Hinsicht auf die herausforderndsten und dringlichsten wissenschaftlichen Probleme - realisierbar sein. Und schließlich ebnete DEISA den Weg für PRACE: ein außerordentlich ehrgeiziges, den gesamten Kontinent einbeziehendes Programm zur Erhaltung und Stärkung der Führungsrolle Europas in Bezug auf das Hochleistungsrechnen. Dieser Artikel ist der erste aus einer Reihe von Features über die Beiträge von DEISA2 zu wichtigen, aber stark rechenintensiven Forschungsthemen, wie der Arbeit des RNAHIV-Projekts zu molekularen Mechanismen des HIV-Virus, der Studie des MillCli-Projekts zu komplexen Klimamodellen sowie der Cylinder-Projektforschung zu den Auswirkungen von Verwirbelungen auf maritime Strukturen. DEISA2 erhielt innerhalb des Unterprogramms "e-Science grid infrastructures" des Siebten EU-Forschungsrahmenprogramms (RP7) 10,24 Mio. EUR. Das Gesamtbudget des Projekts lag bei 18,65 Mio. EUR. Nützliche Links: - 'Distributed European infrastructure for supercomputing applications' - DEISA2-Projektdatensatz auf CORDIS - e-Infrastructures programme / projects Weiterführende Artikel: - Supercomputer nehmen HIV ins Visier - Supercomputer bringen Klimamodelle auf Touren - Supercomputing beruhigt aufgewühlte See - Supercomputing gets its own superhero - The grid: a new way of doing science - Europas Fusionsforscher erschließen Supercomputer-Ressourcen