Abbildung 1: Mehr als 50000-mal so schnell wie ein gewöhnlicher PC ist dieses IBM-Blue-Gene/L-System im Lawrence Livermore National Laboratory in den USA.
Um die Probleme und Perspektiven der schnellsten Computer der Welt drehte sich Ende Juni wieder alles auf der International Supercomputing Conference, dem herausragenden europäischen Event des High Performance Computing (HPC). Fast 1700 Teilnehmer in Hamburg waren neuer Rekord .
Trotz Rekordbeteiligung hat die Wirtschaftskrise, wen wundert\’s, auch die Supercomputer und ihre finanzintensiven Projekte erreicht. Der Elektronikriese NEC zum Beispiel, dessen Großrechner für gehobene Leistungen und Preise gleichermaßen bekannt sind, war noch im März mit der Inbetriebnahme des hoch effizienten Earth Simulator 2 in den Schlagzeilen. Aber im Mai verließ er dann das zukunftsweisende japanische Supercomputerprojekt Riken aus Angst vor den immensen Kosten.
Inzwischen will NEC mehr als 20000 Mitarbeiter vor die Tür setzen. Einer Hot Seat Session mit dem Titel “NEC\’s Future Directions” war wenig mehr als das Pfeifen im Walde zu entnehmen, bis zum zweiten Jahrestreffen der HPC-Gemeinde im November in Portland (USA) hoffen die Japaner mehr zu wissen. Auch andere Hersteller sind betroffen: Cray gerät ins Schlingern, SGI in die Insolvenz, Sun weiß nach eigenem Bekunden auf der Konferenz noch nicht, wie sich die geplante Übernahme durch Oracle auf sein HPC-Engagement auswirkt.
Vielleicht aber erweist sich die akute Malaise am Ende als das kleinere Problem, denn am Horizont des Supercomputing tauchen Probleme auf, die das Hochleistungsrechnen viel prinzipieller in Frage zu stellen drohen: Letztes Jahr fiel die Petaflop-Schranke, im Jahr 2018, rechnet die Fachwelt, überwinden erste Rechner die Exaflop-Grenze, doch danach könnte die Rekordjagd an endgültige Grenzen stoßen. “Die Zetaflops werden wir niemals erreichen”, prophezeite etwa Thomas Sterling (Louisiana State University) in seiner inzwischen schon traditionellen Jahresbilanz “HPC – Achievement and Impact” auf der Konferenz.
Abbildung 1: Mehr als 50000-mal so schnell wie ein gewöhnlicher PC ist dieses IBM-Blue-Gene/L-System im Lawrence Livermore National Laboratory in den USA.
Grün gegen Gigawatt-Grenze
Die Barriere bilden einerseits Naturkonstanten wie beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit oder die durch die Atomgröße begrenzte Miniaturisierung, andererseits aber auch die Gesetze der Ökonomie: Supercomputer sind in Anschaffung und Betrieb extrem teuer und verwandeln als Nebenprodukt ihrer Rechnerei Unmengen kostbarer Energie und damit Geld in heiße Luft. Der schnellste Rechner der Welt verbraucht derzeit fast 2500 Kilowatt und damit in einer Stunde so viel wie ein Single-Haushalt im Jahr.
Gelingt es nicht, die Energieeffizienz entscheidend zu verbessern, dann wird ein Supercomputer in wenigen Jahren 2 Gigawatt pro Exaflop verheizen und damit die Größenordnung von mehr als zwei Milliarden Euro Unterhalt im Jahr benötigen. Genau dieser Umstand ist denn auch die wahre treibende Kraft hinter der auch hier ergrünenden IT. Denn es ist zu erwarten, dass Investoren ausbleiben, wenn ihr Kapital wegen der exorbitanten Kosten keine entsprechende Rendite mehr erwirtschaftet.
Daneben verursachen der sprunghaft wachsende Overhead durch die Koordination der Parallelarbeit in einem Hochleistungsrechner und die Zuverlässigkeit von Systemen mit Millionen Kernen den Ingenieuren Kopfzerbrechen. Die riesige Anzahl an Komponenten kann die Mean Time Between Failure (MTBF) in den Minuten-, ja vielleicht sogar in den Sekundenbereich sinken lassen.
Bestenliste
Noch aber ist es nicht ganz so weit und deshalb feierte die Superrechner-Community auch in diesem Jahr wieder die Top-500-Liste der schnellsten Rechner der Welt. Das Siegertreppchen der aktuellen 33. Bestenliste besetzt weiterhin der Supercomputer Roadrunner des vom Department of Energy (DOE) getragenen National Laboratory in Los Alamos, USA, der vor genau einem Jahr als Erster die Petaflop-Schallmauer durchbrach.
Roadrunners 1105 Teraflop/s (Billionen Rechenoperationen pro Sekunde) ist ein zweiter Rechner des DOE dicht auf den Fersen: Mit seinen 1059 Teraflop/s erkämpft sich ein Cray XT4 Jaguar aus dem Oak Ridge National Laboratory die Silbermedaille. Bronze geht nach Deutschland: Das JUGENE getaufte IBM-Blue-Gene/P-System im Forschungszentrum Jülich gelangt mit 825,5 Teraflop/s erstmals in die Medaillenränge.
Deutschland im Vorderfeld
Überhaupt ist Deutschland überdurchschnittlich gut vertreten, schaffte es doch gleich noch ein zweiter Superrechner aus Jülich unter die ersten zehn (JUROPA, ein Superrechner aus Bull-Novascale-Servern und Sun-Blades, der 274,8 Teraflop/s vorweist).
Die beiden deutschen Rechner sind zudem die einzigen unter den Top 10, die nicht in Amerika beheimatet sind. Denn die USA dominieren nach wie vor das Hochleistungsrechnen: 291 der schnellsten 500 Rechner stammen dorther, aber nur halb so viele aus Europa, aus Asien gar weniger als 50.
Bei den Rechnerherstellern hält HP einen knappen Vorsprung vor IBM, wenn es um die Anzahl der Systeme in den Top 500 geht, bei der insgesamt installierten Performance hat aber IBM die Nase vorn. Bemerkenswert ist die Platzierung von Cray mit gleich zehn Computern in diesem exklusiven Club.
Bei den Betriebssystemen der Top-500-Rechner führt Linux unangefochten (77,4 Prozent) und mit riesigem Abstand vor dem Zweiten AIX (4,20 Prozent). Etwa ab der Jahrtausendwende hat es alle anderen Betriebssysteme im Handstreich an den Rand gedrängt. Den Prozessorherstellern geht Intel souverän mit knapp 80 Prozent voran, gefolgt von IBMs Power-Prozessoren (11 Prozent) und den mit 8,6 Prozent abgeschlagenen AMD Opterons.
Schaut man noch genauer hin, offenbart sich der Siegeszug der Quadcore-Prozessoren: Die CPUs von 383 Rechnern der schnellsten 500 Computer gehören zu dieser Familie. Lange Zeit erhöhten die Prozessorhersteller zur Leistungssteigerung vor allem die Taktfrequenz und senkten zum Energiesparen im Gegenzug die Betriebsspannung. Dieser Prozess ist aber inzwischen an natürliche Grenzen gestoßen – mit 0 Volt kann niemand arbeiten, um die Energiedichte bei noch höheren Frequenzen zu kompensieren.
Viele Kerne sind Trumpf
Deshalb dominiert heute der Trend zu mehr Kernen und mehr Parallelarbeit bei stagnierender Taktfrequenz (Abbildung 2). Mit Ein-Kern-CPUs platzierten sich überhaupt nur noch vier Systeme in den Top 500. Alle anderen Vertreter dieser Klasse schafften nicht den Sprung über das erneut höhere Einstiegsniveau von jetzt mindestens 17,1 Teraflop/s für die Liste.
Abbildung 2: Weil sich die Taktfrequenz nicht weiter steigern lässt, explodiert stattdessen seit einigen Jahren die Zahl der Rechenkerne in den Supercomputern mit einem exponentiellen Anstieg.
Allerdings erwächst den Mehrkern-CPUs zunehmend Konkurrenz aus dem Lager der GPUs (Graphical Processing Units) moderner Grafikkarten, deren Rechenleistung bereits im Teraflop-Bereich liegt. Systeme wie beispielsweise der japanische Supercomputer Tsubame des Tokioter Institute of Technology erreichen mit 170 Tesla-Grafikchips immerhin 77,48 Teraflop/s in der Praxis.
