Der Bull HPC-Cluster bei der RWTH Aachen läuft unter Linux. Foto: Dieter Both, Bull GmbH.

Linux, auf Desktop-Rechner nur selten zu finden, fühlt sich auf den großen Rechnern der Forschung und Entwicklung vollkommen zu Hause: Auf fast allen Supercomputern der Welt läuft das freie Betriebssystem, und das aus gutem Grund.

In der Welt der Arbeitsplatzrechner wird Linux Jahr für Jahr der Durchbruch auf dem Desktop prophezeit – vergeblich. In der Liga der Supercomputer hat das freie Betriebssystem dieses Ziel bereits vor über zehn Jahren erreicht. So lange ist es inzwischen her, dass Linux beim High Performance Computing (HPC) seinen Durchbruch erlebt hat und von vielen unbemerkt, unsichtbar im Hintergrund, hier das dominierende Betriebssystem darstellt.

Außerhalb der HPC Gemeinschaft wird man daran höchstens zwei Mal im Jahr erinnert, wenn die Top500-Organisation eine neue Ausgabe der Liste der 500 schnellsten Supercomputer vorstellt.

Supercomputer dieser Größenordnung finden in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten ihren Einsatz, wenn es darum geht, komplexe Systeme zu berechnen, zu simulieren oder zu modellieren. Dies wird beispielsweise in der Wettervorhersage, der Klimaforschung, beim Auffinden von Öl- und Gas-Vorkommen oder in der numerischen Strömungsmechanik nötig.

Auch wenn das Linux-Maskottchen im Windkanal eher keine gute Figur macht, so bringt Linux doch über 90 Prozent der 500 schnellsten Supercomputer zum Fliegen. Bild: Science + Computing AG, Dr. Martin Schulz.

Das Auflisten der Systeme erfolgt auf freiwilliger Basis – die Rechnerfarmen bei Google und Konsorten werden hierbei somit meist nicht erfasst. Nur Amazon macht hier eine Ausnahme und reichte Ergebnisse eines auf Basis von EC2 Instanzen aufgebauten, virtuellen Clusters ein, der es auf Rang 42 schaffte.

Verkehrte Welt

Auf der letzten Rangliste, die im November 2011 auf der International Supercomputing Conference (ISC) in Seattle vorgestellt wurde, erreichte Linux einen Prozentsatz an Installationen von satten 91,4% auf allen gemeldeten Systemen, wohingegen der Desktop-Primus Windows mit genau einer Installation bei spärlichen 0,2% landete. “Verkehrte Desktopwelt,” mag man hier meinen. Die restlichen Prozent verteilen sich auf Unix-Rechner und Systeme mit gemischtem Betriebssystem. Nur ein einziges System in der Top 500 hält tapfer das BSD-Fähnchen im Wind.

Linux hält den Löwenanteil bei den HPC-Systemen.

Die nächste Bestenliste steht schon vor der Tür. Sie wird in wenigen Tagen (17. bis 21. Juni 2012) auf der ISC in Hamburg veröffentlicht. Allerdings ist nicht damit zu rechnen, dass sich der Anteil am Kuchen, den Linux in diesem Bereich für sich beansprucht, in nächster Zeit signifikant verändern wird.

Von Ochsen und Hühnern

Wie kommt es, dass die Kombination Linux plus Cluster geradezu zum Synonym für High Performance Computing wurde? Betrachtet man die auf top500.org bereitgestellten Statistiken zu Systemtyp und eingesetztem Betriebssystem, fällt auf, dass der Wandel hin zu Linux als HPC-Betriebssystem zeitlich mit dem Aufkommen der vergleichweise günstigen und leistungsfähigen Cluster-Systeme aus x86-Hardware zusammenfällt.

Dies kommt nicht von ungefähr: Im Jahr 2001 der erschien Kernel 2.4 und bescherte den x86-Systemen Features, die zuvor kommerziellen Unixen und ihrer proprietären Hardware vorbehalten waren. Unter anderem machte die Unterstützung des Speicherausbaus bis 64 GByte und SMP-Betrieb auf bis zu acht Prozessoren die x86-Architektur nun auch für Höchstleistungssysteme interessant. Sie bietet ein deutlich besseres Preis-Leistungs-Verhältnis als die traditionellen Unix-Systeme.

Auch wenn Seymour Cray, unter dessen Federführung einige der schnellsten Computersysteme entstanden, dies zuerst nicht wahrhaben wollte, ist es doch in sehr vielen Fällen weitaus einfacher, mehr “Hühner vor den Pflug zu spannen”, als einen “gigantisch großen Ochsen” zu züchten.

Der Linux-Kernel 2.6 brachte Ende 2003 weitere Verbesserungen, etwa deutlich bessere Skalierung auf großen Systemen und optimierte Speicherverwaltung, und ermöglichte es den Linux-Hühnern, ihren Marktanteil im HPC-Umfeld zu Ungunsten der bisherigen Unix-Ochsen, weiter auszubauen.

Die Kombination von preisgünstiger x86-Hardware mit dem offenen und leistungsfähigem Linux-Kernel ermöglichte es damit auch kleineren Anwendern, deren Budget bislang nicht groß genug für proprietäre Unix-Systeme war, in die Welt des High Performance Computing einzusteigen.

Linux-HPC ist inzwischen soweit gesellschaftsfähig geworden, dass es inzwischen auch in kleinen Unternehmen anzutreffen ist, auch wenn sich diese oft, bedingt durch die fehlende “Masse”, nicht als typische HPC-Nutzer fühlen.

Von der Bastellösung zur schlüsselfertigen Lösung

Den Beowulf-Systemen der frühen Tage haftete oft noch der Ruf einer Bastellösung an. Auf Mailinglisten diskutierte die Community über die brauchbarsten Mainboards für diesen Zweck. Heute bestellt man HPC-Cluster mit Linux als schlüsselfertige Lösung bestellt, bei der man sich um solche Inkompatibilitäten, bedingt durch die generelle Marktmacht von Linux, praktisch keine Gedanken mehr machen muss.

Da Supercomputer an den jeweiligen Anwendungszweck angepasst sind, kann Linux durch seine Offenheit weitere Vorteile ausspielen, da sich damit maßgeschneiderte Lösungen eher umsetzen lassen als mit einem geschlossenen System. Auch unter Kostenaspekten wissen viele Kunden die Vorteile des freien Systems zu schätzen, denn es trägt dazu bei, die Kosten pro Knoten möglichst gering zu halten. Schließlich sind hier nicht für nur eine Handvoll Systeme Lizenzen zu bezahlen sondern oft für mehrere tausende Knoten.

Wer allerdings die Entscheidung für Linux im HPC-Umfeld nur mit Kostenvorteilen rechtzufertigen versucht, gibt unnötig die Trümpfe aus der Hand. Die Diskussion ist weniger eine ideologische als eine technologische. Linux ist einfach führend, wenn es darum geht, ein leistungsfähiges System auf unterschiedlichen Hardwareplattformen anzubieten, das zudem noch zeitnah neue Technologien unterstützt. So läuft Linux in der Top500-Liste neben der omnipräsenten x86_64-Hardware auch auf Sparc64- und Power-Prozessoren sowie Itanium2-Systemen.

Das Rennen um das Betriebssystem der Wahl im High Performance Computing ist seit Langem gelaufen. Linux steht als der strahlende Sieger da und wird es wohl auch auf lange Sicht bleiben. Dafür spricht auch das ganze Ökosystem, das sich um den Linux-Kernel als solchen und die zugehörigen Distributionen etabliert hat..

Linux Magazin Online stellt im Vorlauf zur ISC einige in diesem Umfeld interessante Themen vor, darunter parallele, verteilte Dateisysteme und Ansätze, um den großen Datenmengen Herr zu werden. (mhu)

Der Autor
	Holger Gantikow hat an der Hochschule Furtwangen Informatik studiert und ist seit 2009 bei der Science + Computing AG in Tübingen als System Engineer tätig. Dort beschäftigt er sich mit der Komplexität heterogener Systeme im CAE-Berechnungsumfeld.