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Inhalt archiviert am 2024-04-23

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Feature Stories - Partnerschaft für europaweites Hochleistungsrechnen

Neben Theorie und experimenteller Praxis sind Simulationen zu einem dritten Pfeiler der modernen Wissenschaft geworden. Will man allerdings von den Auswirkungen des Klimawandels bis hinein in die Astrophysik so gut wie alles simulieren, so braucht es dazu enorme Rechenkapazitäten. Ein EU-finanziertes Projekt will nun den Wissenschaftlern bislang noch nie da gewesene Supercomputing-Ressourcen auf Tastendruck zur Verfügung stellen.

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Die im Mai 2010 als gemeinnütziger Verein gegründete Partnerschaft für Hochleistungsrechentechnik in Europa (Partnership for Advanced Computing, PRACE) ist heute eine der weltweit führenden Infrastrukturen für das Hochleistungsrechnen (High Performance Computing, HPC) in der Welt der Wissenschaft. Die Partnerschaft wird durch die Bündelung nationaler Investitionen in mehreren europäischen Ländern den Forschern in ganz Europa den internetgestützten Zugang zu Rechenressourcen für eine Reihe breitgefächerter Anwendungen auf nahezu allen wissenschaftlichen Gebieten verschaffen. Sie startet mit PRACE-1IP ("PRACE first implementation project"), einer von mehreren für die kommenden Jahre geplanten Umsetzungsphasen, für die 20 Millionen EUR Finanzmittel von der Europäischen Kommission vorgesehen sind. "Simulationen kommen in fast jeder Disziplin zum Einsatz, um im Zusammenhang mit vielen der großen Herausforderungen, denen Wissenschaft oder Gesellschaft gegenüberstehen, Dinge auszuprobieren und Lösungen zu suchen", erklärt Dr. Thomas Eickermann vom Jülich Supercomputing Centre in Deutschland. "Wir brauchen Hochleistungsrechensysteme, um das Wettergeschehen und den Klimawandel zu modellieren, Krankheiten und die Wirkung von Arzneimitteln zu untersuchen, neue Werkstoffe zu erfinden, in der Astronomie und sogar zur Konstruktion neuer Flugzeuge ... die Liste ist schier endlos." Dr. Eickermann koordiniert PRACE-1IP, wobei in diesem Projekt Partner aus 21 europäischen Ländern daran arbeiten, den Zugang für Forscher zu den durch PRACE verfügbaren Hochleistungsrechenressourcen verbessern. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit hat die Entwicklung von Technologien und Techniken zum Schwerpunkt, welche die Forscher bei der Ausführung von Anwendungen auf den PRACE-Hochleistungsrechenanlagen unterstützen sollen. Dazu gehört die Portierung - die Anpassung von Anwendungen, so dass sie in einer anderen IT-Umgebung als der, für die sie ursprünglich konzipiert wurden, eingesetzt werden können - und die Petascale-Architektur, die das Optimieren von Anwendungen beinhaltet, so dass sie auf der extrem großen Anzahl von Prozessoren auf HPC-Rechnern laufen. "Auch wenn PRACE bereits ein großer Fortschritt bei der Verbesserung der Verfügbarkeit der Hochleistungsrechenressourcen für eine große Gruppe der europäischen Forschergemeinschaft ist, übertrifft die Nachfrage der Forscher nach Hochleistungsrechenressourcen zwangsläufig immer noch die verfügbaren HPC-Ressourcen", sagt Dr. Eickermann. "Daher müssen die Projekte, denen diese Ressourcen zugänglich gemacht werden, sorgfältig ausgewählt werden. Und wir müssen gewährleisten, dass die Forscher diese Ressourcen so effizient wie nur möglich einsetzen." Innerhalb von PRACE wird über die Zuteilung der Nutzung der Hochleistungsrechenressourcen durch ein Peer-Review-Verfahren entschieden: Forscherkollegen und Wissenschaftler wählen nach einem zweimal jährlich erfolgendem Aufruf zur Einreichung von Vorschlägen die vielversprechendsten Projekte aus. Nach der Auswahl trägt die Arbeit des PRACE-1IP-Projektteams dazu bei, dass die Forscher das Beste aus den verfügbaren Ressourcen herausholen. In diesem Zusammenhang bauten das PRACE-1IP-Projekt und die Folgeinitiative PRACE-2IP sechs Trainingszentren in ganz Europa auf, um im Rahmen eines mehrjährigen Programms Forscher zum Thema der Hochleistungsrechensysteme auszubilden. Der Inhalt umfasst von der Programmierung paralleler Rechensysteme und der Skalierung von Anwendungen bis hin zu Programmierungsbeschleunigern wie den "General purpose graphics processing units" (GP-GPU) nahezu sämtliche Bereiche. Die PRACE Advanced Training Centres (PATC) sind am Barcelona Supercomputing Centre in Spanien, an der CINECA-Consorzio Interuniversitario in Italien, am CSC-IT Centre for Science in Finnland, am EPCC der University of Edinburgh im Vereinigten Königreich, am Gauss Centre for Supercomputing in Deutschland und an der Maison de la Simulation in Frankreich beheimatet. An der Teilnahme an Lehrgängen interessierte Forscher erhalten Informationen auf der PRACE-Website und an den Standorten der Schulungszentren. "Moderne HPC-Systeme haben eine beispiellose Rechenleistung zu bieten und ihre Architekturen entwickeln sich stetig weiter. Die Herausforderung bestand immer darin, die Wissenschaftler und Programmierer ausreichend weiterzubilden, so dass Effizienz und Forschungsleistungen mittels solcher Systeme maximiert werden können", erklärt Dr. Simon Wong, Leiter des Work-Package Ausbildung innerhalb von PRACE-2IP, der derzeit laufenden zweiten Implementierungsphase des Projekts, und Leiter der Aus- und Weiterbildung am ICHEC in Irland. Ein weiteres Schlüsselelement des Projekts besteht darin, mit den neuesten Entwicklungen und Technologien in der Welt des Hochleistungsrechnens Schritt zu halten sowie Hard- und Software an den Supercomputing-Partnerstandorten kontinuierlich weiter zu modernisieren. Zur Zeit hat PRACE drei sogenannte Tier-0-Systeme installiert, denen 2012 drei weitere an Standorte in Deutschland, Spanien, Frankreich und Italien folgen werden, die einen großen Teil der Ressourcen der Länder in der paneuropäischen Forschung bilden. Es gibt außerdem zahlreiche sogenannte Tier-1-Standorte, die sich zumeist der nationalen oder regionalen Forschung widmen und überdies einige Ressourcen in die Partnerschaft einbringen. Deren Rechenleistung wird in Petaflops gemessen; das entspricht einer Billiarde Rechenoperationen, die als Gleitkommaoperationen pro Sekunde (Flops) bezeichnet werden. Jedes Tier-0-System innerhalb von PRACE sorgt derzeit für mindestens 1 Petaflops Rechenleistung, wobei man davon ausgeht, in den kommenden Jahren das Exaflops-Niveau - eine Trillion Rechenoperationen pro Sekunde - erreichen zu können. Im Vergleich dazu ist das Gehirn des Menschen einigen Forschern zufolge in der Lage, 10 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde (10 Petaflops) zu verarbeiten. "Bisher kam die PRACE-Infrastruktur in 36 Projekten für mehr als eine Milliarde Core-Rechenstunden zum Einsatz", berichtet Dr. Eickermann. Ein kürzlich gestartetes Projekt zum PRACE-System ist auch das derzeit umfangreichste. Das Projekt mit dem Titel "Joint weather and climate high-resolution global modelling: future weathers and their risks" unter Leitung des National Centre for Atmospheric Science im Vereinigten Königreich verfolgt das Ziel, hoch aufgelöste, realistische Simulationen klimatischer Bedingungen und Wetterlagen zu erstellen. Die Wiedergabetreue der globalen Klimasimulationen soll erhöht und das Wissen über Wetter- und Klimarisiken im Hinblick auf sehr zuverlässigere Prognosen des Klimawandels verbessert werden. Man wird dazu am HERMIT, dem neuesten, beim GCS-Partner in Stuttgart installierten Tier-0-System, 144 Millionen Core-Rechenstunden in Anspruch nehmen. Weitere neue Projekte werden neben vielen anderen Anwendungen den Blutfluss im menschlichen Körper simulieren, die Auswirkungen von Bestrahlung auf Nanostrukturen betrachten, die Schwerkrafteffekte von Schwarzen Löchern im Weltall untersuchen und zum besseren Verständnis der Sonnenchromosphäre beitragen. "Der Zugang zu Supercomputer-Ressourcen ist ein immer wichtigeres Element der modernen Wissenschaft und sollte zu großen Durchbrüchen auf vielen Gebieten beitragen", wie Dr. Eickermann bekräftigt. In der Ära vor PRACE waren die Supercomputing-Ressourcen in Europa wesentlich stärker zerstückelt, und nur in beschränktem Maße für bestimmte Länder oder Organisationen zugänglich. Nun ist es die wissenschaftliche Gemeinschaft Europas, die entscheidet, welches die vielversprechendsten Projekte sind, denen die wertvollen Rechenstunden zunutze kommen. Hierbei folgt man einem leistungsabhängigen Ansatz, der zur Sicherung oder Ausweitung des europäischen Wettbewerbsvorteils auf vielen Gebieten beitragen wird. "In den Vereinigten Staaten sind die Hochleistungsrechenressourcen zwischen den verschiedenen Einrichtungen und Gremien zerstückelt, und in Asien sind sie zwischen den einzelnen Ländern fragmentiert. PRACE hat daher große Vorteile für die europäische Forschung zu bieten", zeigt sich Dr. Eickermann überzeugt. PRACE-1IP erhielt Fördermittel unter dem Siebten Rahmenprogramm der Europäischen Union (RP7). Nützliche Links: - Website "PRACE first implementation project" - PRACE-1IP-Factsheet auf CORDIS Weiterführende Artikel: - Pressemitteilung: Digitale Agenda: EU soll Weltführung beim Hochleistungsrechnen übernehmen - Neuer Hochleistungsrechner ist da