Supercomputer

Auf Hochleistung rechnen

Am Forschungsschwerpunkt Scientific Computing vernetzen Informatikerinnen und Informatiker rund 40 Arbeitsgruppen aus verschiedensten Forschungsbereichen und unterstützen diese bei der Durchführung berechnungsaufwendiger Modelle und Simulationen.

Physik, Astrophysik, Mikrobiologie, Atmosphärenwissenschaften oder Bauingenieurswesen sind nur einige Beispiele für Forschungsbereiche, die auf computerunterstützte Berechnungen angewiesen sind. Während bis vor einiger Zeit die Wissenschaft vor allem auf zwei Säulen beruhte, nämlich Theorien und Experimente, sind Computersimulationen und Modellierungen mittlerweile unverzichtbar. Hochleistungsrechnen gilt als Schlüsseltechnologie in Industrie, Wirtschaft und Wissenschaft. An der Universität Innsbruck arbeitet der Forschungsschwerpunkt Scientific Computing an der Umsetzung und Durchführung von berechnungsaufwendigen Modellen und Simulationen. Zentral bei dieser dritten, wesentlichen Säule ist es, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie Arbeitsgruppen aus unterschiedlichsten Disziplinen zusammenzubringen. „In den Anwendungswissenschaften gibt es oft viele Gemeinsamkeiten, die man als Forscherin oder Forscher selbst vielleicht gar nicht sieht. Rein von der mathematischen Materie haben ein Tunnelbauer und ein Astrophysiker möglicherweise sehr viel gemeinsam. Um das auch zu erfahren, brauchen sie eine Plattform, die wir ihnen am Forschungsschwerpunkt bieten“, so Philipp Gschwandtner. Er arbeitet seit November 2018 als Senior Scientist am Forschungszentrum Hochleistungsrechnen an der Universität Innsbruck, das zum Forschungsschwerpunkt Scientific Computing zählt. Seine Hauptaufgaben sind das Vernetzen verschiedener Forschungsgruppen und schließlich die Umsetzung von Projekten, die Bedarf an Hochleistungsrechnen haben.

Supercomputer

Das Hochleistungsrechnen verfolgt dabei immer den gleichen Grundsatz: Ein sehr großes rechnerisches Problem wird auf viele kleine Probleme aufgeteilt, die dann von mehreren Computern parallel gelöst werden. Wird es beispielsweise auf zehn Computer aufgeteilt, beträgt die Rechenzeit im Idealfall nur ein Zehntel im Vergleich zu nur einem Computer. Die Informatik kommt dann ins Spiel, wenn man nicht zehn, sondern 100, 1000 oder 1 Million Rechner parallel hat. Dann spricht man von einem sogenannten Hochleistungs- oder Supercomputer. „Der Nutzen des Hochleistungsrechnens zeigt sich beispielsweise in Wettervorhersagen, die jeden Tag aktuell sein müssen. Würde ich sie auf einem Laptop berechnen, dauert das mehrere Wochen“, erläutert Gschwandtner. Doch nicht nur die kurze Rechenzeit macht den Einsatz von Hochleistungsrechnern für die Wissenschaft so attraktiv. Sie schaffen auch die Möglichkeit, Versuchsreihen zu simulieren, die in der Praxis nicht möglich sind. „Die Astrophysik bietet uns ein gutes Beispiel für ein Ereignis, das man experimentell nicht nachstellen kann. Galaxienkollisionen im Weltall kann man nicht aktiv herbeiführen, man kann sie lediglich passiv beobachten und selbst dann dauert es Jahrmillionen. Deshalb werden sie am Computer simuliert“, veranschaulicht der Informatiker die Relevanz von Simulationen mit Hochleistungsrechnern. Ihre Simulationsprogramme bringen die Arbeitsgruppen meist bereits selbst mit. Diese sind dann so geschrieben, dass sie auf einem normalen Arbeitsplatzrechner laufen würden. Informatiker wie Philipp Gschwandtner bringen dann das nötige Know-How mit, um die Programme für Hochleistungsrechner zu skalieren. „Es bedarf doch einiges an Informatik-Wissen, um ein Programm auf einem Hochleistungsrechner zum Laufen zu bringen und vor allem, um die vorhandenen Ressourcen effizient zu nutzen“, so Gschwandtner. Neben der unglaublichen Rechengeschwindigkeit zählen zu diesen Ressourcen auch die enormen Speicherkapazitäten von Hochleistungsrechnern. Davon profitieren beispielsweise Mikrobiologen, die mit sehr großen Datenmengen arbeiten.

Vernetzt

An der Uni Innsbruck gibt es derzeit vier Hochleistungsrechner. Der jüngste und leistungsstärkste ist der LEO 4. Er wurde im Januar eröffnet. National gesehen wird der VSC-4, der vierte einer Reihe von Supercomputer Clustern, der schnellste Supercomputer. Vor allem in Deutschland gibt es eine starke Tradition und viele Förderprogramme. Davon profitieren auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Uni Innsbruck. Können Projekte aufgrund von hohem Ressourcenbedarf nicht in Innsbruck durchgeführt werden, besteht die Möglichkeit, in Wien oder europaweit um Rechenleistung anzusuchen. „Das macht nationales und internationales Networking zu einer zentralen Aufgabe für uns am Forschungszentrum. Die Uni Innsbruck ist hier auch sehr gut vertreten. So hat der Leiter des Forschungsschwerpunkts Scientific Computing, Alexander Ostermann, die Austrian High Performance Computing Conference ins Leben gerufen“, sagt Philipp Gschwandtner.

Dieser Artikel ist in der aktuellen Ausgabe der „Zukunft Forschung“, dem Forschungsmagazin der Universität Innsbruck, erschienen. Eine digitale Version des Magazins ist hier zu finden.

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