Hochleistungsrechnen
"Damit sind wir konkurrenzfähig"
Zusatzmaterial zum Artikel "INTERVIEW"
Der neue Supercomputer MACH in Linz ist ein Projekt der Unis Innsbruck und Linz. Die Astrophysikerin Sabine Schindler spricht über dessen Entstehung und Hochleistungsrechnen in Innsbruck.
Zukunft Forschung: Können Sie den MACH in einen Kontext bringen? Wie vergleicht sich das mit einem durchschnittlichen Bürorechner?
Sabine Schindler: Der MACH besteht aus vielen Prozessoren, auf denen ein Programm gleichzeitig laufen kann. Das ist bei aufwändigen Anwendungen sinnvoll: Wo Sie bei Ihrem Rechner zu Hause eine Woche rechnen müssten, kriegen Sie hier das Ergebnis viel schneller.
Zukunft: Welche Anwendungen sind das zum Beispiel?
Schindler: Das sind Anwendungen aus allen Fachgebieten. Auf dem MACH werden Forscher aus der Mathematik rechnen, der Informatik, der Physik, der Meteorologie, den Bauingenieurwissenschaften, der Biologie, der Pharmazie, der Chemie, der Mechatronik, der Verfahrenstechnik, der Volkswirtschaftslehre … Hochleistungsrechnen wird in so vielen Bereichen als Werkzeug verwendet, dass man derzeit auch noch gar nicht sagen kann, welche Disziplinen da noch einsteigen.
Zukunft: Haben Sie konkrete Beispiele für schon ausgeführte Projekte?
Schindler: Ein Beispiel ist eine Rechnung von Prof. Läuchli, einem Physiker. Er hat sich bereit erklärt, schon zur Testphase zu rechnen, auch wenn da der Rechner noch nicht so stabil läuft. Er hat dabei Materialien getestet, die man später vielleicht beim Quantencomputer benutzen kann. Dazu sind sehr viele Simulationen nötig. Er konnte, auch dadurch, dass er in der Testphase den gesamten Rechner für sich hatte, eine gigantische Rechnung ausführen, die er sonst nirgends hätte machen können und ist jetzt in seiner Forschung einen großen Schritt vorwärts gekommen. Solche Rechnungen sind dann auch sehr konkurrenzfähig.
Zukunft: Können Sie kurz schildern, wie es zu dieser Kooperation zwischen Innsbruck und Linz gekommen ist?
Schindler: Wir haben uns vor einem Jahr zum sogenannten Austrian Center for Scientific Computing (ACSC) zusammengeschlossen. Eines der Ziele dieser Kooperation war, gemeinsam Infrastruktur anzuschaffen und auch zu betreiben. Moderne Großrechner sind sehr teuer und auch aufwändig im Betrieb, so dass sich eine Uni allein einen großen Rechner kaum noch leisten kann. Neun Mitglieder hat das ACSC bereits und weitere sind in Beitrittsverhandlungen. Einerseits braucht man für diese Infrastruktur-Kooperation aber natürlich Geld, deshalb machen beim Bau und beim Betrieb der Rechner vorerst nur jene Einrichtungen mit, die auch Geld dafür zur Verfügung haben – das sind wir und das ist die Uni Linz, die Universität Salzburg wird sich nächstes Jahr anschließen. Abseits davon kooperieren wir auch wissenschaftlich: Wir machen verschiedenste Workshops, bei denen auch der wissenschaftliche Austausch stattfindet. Besonders der interdisziplinäre Austausch soll da sehr gefördert werden.
Zukunft: Ist da auch eine über Österreich hinausgreifende Zusammenarbeit geplant?
Schindler: Es gibt bereits eine Kooperation in Europa namens PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe, Anm. d. Red.). Damit man an dieser Kooperation teilnehmen kann, ist es natürlich sinnvoll, sich zunächst landesweit zusammenzuschließen und damit dann Kontakt zu diesen europäischen Rechnern zu halten.
Zukunft: Die Uni Innsbruck hat mit dem Leo II einen eigenen Supercomputer, was passiert mit dem?
Schindler: Den nutzen wir weiter. Das ist eine komplementäre Architektur. Der MACH in Linz arbeitet mit einem Shared-Memory-Modell, da teilen sich die Prozessoren den ganzen Speicher. Unterschiedliche Anwendungen laufen besser auf dem einen Modell und andere laufen besser auf dem zweiten. Der Leo II läuft jedenfalls weiter und der Leo III wird gerade aufgebaut.
Zukunft: Wann ist dort die Inbetriebnahme geplant?
Schindler: Bald. Ich denke, das wird in den nächsten Wochen passieren. Leo III steht wieder an der Uni Innsbruck, aber um zum Beispiel eine User-ID zu bekommen, das geht alles genau gleich wie beim MACH, das betreuen auch die gleichen Leute. Da werden die Benutzer keinen Unterschied zwischen dem Leo III und dem MACH bemerken.
Zukunft: Bei diesen Anwendungen werden ja auch Riesen-Datenmengen übertragen. Gibt es da einen Flaschenhals bei der Datenübertragung?
Schindler: Es kommt darauf an, wohin Sie die Daten übertragen wollen. Selbst wenn Sie zum Beispiel hier am Leo III rechnen, müssen Sie ja die Daten nicht unbedingt auf Ihrem Rechner haben. Sie können die Daten ja auch am Leo III direkt prozessieren, sie dort auch auswerten, da müssen Sie überhaupt nichts übertragen und können dann einfach auf die Ergebnisse zugreifen. Selbst wenn man viele Daten übertragen muss, ist das derzeit kein Problem, weil das Netz zwischen Innsbruck und Linz schnell genug ist – die Entfernung fällt da nicht ins Gewicht. Daher geht die Übertragung mit großer Geschwindigkeit. Aber natürlich werden die Anforderungen im Lauf der Jahre größer und man muss das Netz irgendwann ausbauen. Aber im Moment ist das nicht nötig.
Zukunft: Gibt es eigentlich schon Anwendungen, die für den MACH zu umfassend sind?
Schindler: Man kann diese Anwendungen fast immer so hoch treiben, wie man will. Bei uns in der Astrophysik ist es zum Beispiel so, dass das von der Auflösung abhängt. Wenn ich Galaxien rechne, rechne ich die dann immer so exakt wie möglich, und da muss ich mich an die Gegebenheiten, also an den Rechner, anpassen. Der MACH ist immer noch nicht so groß, dass ich mit der Genauigkeit rechnen könnte, wie ich’s gerne wollte. Aber der MACH ist so groß, dass ich konkurrenzfähige Rechnungen machen kann. Auch meine Kolleginnen und Kollegen in anderen Teilen der Welt können es nicht viel besser – das heißt, ich kann meine Rechnungen machen und kann damit neue Sachen erforschen, die noch nicht gerechnet worden sind. Wenn ich einen kleinen Rechner zur Verfügung habe, dann kann ich nur Sachen nachmachen, die alle anderen schon gemacht haben und damit ist es dann witzlos. Das heißt jetzt aber nicht, dass ich nicht noch einen größeren haben wollte.
Zukunft: Derzeit werden in immer kürzeren Abständen immer bessere Computer gebaut – der derzeit schnellste Supercomputer schafft etwa das vierzigfache des MACH an Rechnungen pro Sekunde.
Schindler: Und die Kapazitäten werden sich wohl noch weiter erhöhen. Mit einzelnen Prozessoren ist man nicht mehr weitergekommen. Deswegen hat man immer mehr zusammengeschalten. Die Prozessoren werden immer kleiner und produzieren noch dazu weniger Wärme, die Rechenzeiten werden kürzer, alles wird immer weiter optimiert. Selbst mit der herkömmlichen Technologie scheint die Industrie derzeit noch an keine Grenze zu stoßen. Und irgendwann werden dann ja hoffentlich auch die Quantencomputer soweit sein, dass die da etwas übernehmen können.
Zukunft: Bei einem Projekt der University of California Berkeley, Seti@Home, werden Datenpakete an Privatnutzer gesendet und von deren Computern ausgewertet. Ist diese Herangehensweise für wissenschaftliche Anwendungen brauchbar?
Schindler: Das ist etwa für Monte-Carlo-Simulationen ideal – ich mache lauter Experimente, die alle unabhängig voneinander sind und sammle nachher die Ergebnisse ein. Für solche Anwendungen ist das ideal, das geht aber bei weitem nicht für alle Anwendungen. Bei unseren Simulationen müssen wir zum Beispiel das gesamte Simulationsvolumen im Auge behalten und Informationen austauschen, was auf so einem System nicht geht. Da braucht man einen Austausch von Information, also einen Speicher, auf den alle zugreifen können. Auch Cloud Computing ist so etwas: Für manche Anwendungen ist es ideal und es scheint auch keine Grenzen zu geben, aber nicht für alle Anwendungen. Von daher ist Cloud Computing sicher etwas, was in den nächsten Jahren auch im wissenschaftlichen Rechnen wachsen wird, aber nur für ganz bestimmte Anwendungen. Bei der Shared-Memory-Architektur im MACH kann jeder Prozessor auf den gleichen Speicherplatz zugreifen und sich jederzeit die Informationen abholen, die er braucht. Bei den Clouds ist alles verteilt, und das ist die Schwierigkeit.
Zukunft: Wie lang ist die Lebensdauer so eines Supercomputers eigentlich im Schnitt?
Schindler: Beim MACH rechnen wir jetzt mit drei Jahren. Wir hoffen natürlich, dass er länger läuft. Er ist dann nach drei Jahren sicher nicht mehr der Schnellste und Konkurrenzfähigste, aber wir brauchen immer für viele Benutzer eine Maschine. So lange er noch funktioniert, ist es deshalb sinnvoll, ihn auch weiterlaufen zu lassen, so, wie wir jetzt auch Leo I und Leo II laufen lassen.
Zukunft: Sind solche Geräte nicht auch aufrüstbar?
Schindler: Im Prinzip kann man das schon aufrüsten. Nach einem halben Jahr sind natürlich wieder schnellere Prozessoren auf dem Markt. Nur: Wenn man einzelne Racks aufrüstet, hat man kein homogenes System mehr. Man muss dann aufpassen, dass es nicht dadurch Komplikationen gibt, weil manche Prozessoren langsamer oder schneller sind. Das ist dann nicht ganz so ideal, wie wenn alle gleich schnell wären, aber es ist immer noch besser, als wenn man nur den alten Rechner zur Verfügung hat. Also zu einem gewissen Grad können diese Computer auch aufgerüstet werden.
Zukunft: Wie geht es mit der Kooperation in Österreich weiter? Noch sind ja längst nicht alle Unis beteiligt.
Schindler: Das ACSC ist offen für jeden, der Interesse daran hat. Es sind bereits einige weitere Organisationen in Beitrittsverhandlungen mit dem ACSC. Die Wiener Universitäten sind im Moment gut bestückt mit ihrem Vienna Scientific Cluster. Die sind so gut ausgerüstet, dass sie im Moment keine weiteren Kapazitäten brauchen. Das Vienna Scientific Cluster ist allerdings eine andere Architektur, weshalb wir auch übereingekommen sind, hier zusammenzuarbeiten – wenn Wiener Nutzer eine Shared-Memory-Architektur brauchen, dann können sie bei uns rechnen und im Ausgleich dazu dürfen "unsere" Nutzer auch auf dem Cluster in Wien rechnen, wenn sie die andere Architektur brauchen. Graz hat sich noch nicht entschieden. Dort betrifft es ja auch zwei Unis, die Universität und die TU Graz, die Supercomputing brauchen. Aber wir sind offen für Beitritte.
Zur Person:
Die Astrophysikerin Prof. Sabine Schindler leitet die Forschungsplattform "Scientific Computing" und formt in dieser Funktion die Hochleistungsrechner-Strategie der Universität Innsbruck mit. Sie leitet das Institut für Astro- und Teilchenphysik und ist wirkliches Mitglied der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Das wissenschaftliche Interesse der mehrfach ausgezeichneten Wissenschaftlerin gilt der Erforschung von Galaxienhaufen und Strukturformationen im All; für ihre Forschung benötigt die gebürtige Erlangerin auch selbst hochleistungsfähige Supercomputer.