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Netzwoche 02/2016

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28 Technology

28 Technology Titelgeschichte Schnell, schneller, Supercomputer. Wenn normale PCs nicht mehr ausreichen, müssen die Rennboliden unter den Rechnern her. Eine der schnellsten Maschinen der Welt steht im Tessin: der Piz Daint im Nationalen Hochleistungsrechenzentrum der Schweiz. Die Redaktion warf einen Blick auf den schnellen Schweizer und stellte sich die Frage, was einen Supercomputer eigentlich so super macht. Autor: Coen Kaat Wer grosse Datenmengen verarbeiten will, braucht eine grosse Maschine. Obwohl PCs ständig schneller und leistungsstärker werden, genügt dies nicht immer. So braucht es heute hochleistungsfähige Spezialrechner. Diese sogenannten Supercomputer sind oft Aushängeschilder und der Stolz von Universitäten und öffentlichen Einrichtungen, die sie betreiben. In diesem High-Performance-Computing-Bereich (HPC) muss sich die Schweiz nicht zu verstecken. Kein anderes europäisches Land übertrumpft sie im Wettrennen um die meisten Teraflops. Flops steht für Floating Point Operations per Second – zu Deutsch: Gleitkommaoperationen pro Sekunde. In der Welt der Supercomputer gehört diese Zahl zu den wichtigsten Kennziffern, um die Leistungen von Rechnern untereinander zu vergleichen. Der schnellste «Schweizer» heisst Piz Daint und steht in Lugano im Nationalen Hochleistungsrechenzentrum der Schweiz – Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS). Das CSCS ist eine Einheit der ETH Zürich. Der Tessiner Supercomputer erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von 7789 Teraflops. Gemäss der «Top 500»-Liste rechnen weltweit nur sechs Supercomputer schneller (siehe Kasten). Die Rennwagen unter den Rechnern Aber was genau macht einen Supercomputer eigentlich super? Diese Hochleistungsmaschinen sind quasi die Formel-1-Boliden unter den Rechnern. Beide orientieren sich an maximaler Leistung und Geschwindigkeit. Und: Renn- und Rechenmaschine werden auf höchste Effizienz getrimmt. So auch der Piz Daint im Tessin. Die rechnenden Rennboliden sind ein Kollektiv aus tausenden einzelnen Rechenknoten. «Jeder einzelne dieser Knoten ist eigentlich eine High-End-Workstation», sagt Thomas Schulthess, Direktor des CSCS. Mit einem leistungsstarken Netzwerk wird die Rechenleistung aller Knoten auf ein einzelnes Ziel gelenkt. Hier liegt gemäss Schulthess ein entscheidender Unterschied zwischen einem Wettrennen um Supercomputer und einer vernetzten Architektur wie die einer Cloud. Bei einem Supercomputer misst man die Latenzzeit in Mikrosekunden. Eine Cloud braucht also 1000 Mal mehr Zeit, zu reagieren. Gleichzeitig müssen die Bandbreiten so hoch wie möglich sein. Im Piz Daint tauschen die Knoten 5 bis 10 Gigabyte pro Sekunde aus. So können alle Rechenknoten synchron zu einem einzelnen Zweck eingesetzt werden. In diesem Orchester aus tausenden Rechenknoten ist die Qualität jeder einzelnen Komponente wichtig. «Bei einem Supercomputer werden die einzelnen Bauteile extrem belastet», sagt Franklin Dallmann, Vorstandsvorsitzender bei Dalco, einem Schweizer Hersteller von Supercomputern. Schliesslich forderten Kunden eine maximale Leistung. Eine Maschine von Dalco belegt den 462. Platz auf der Top-500-Liste. Ein gewöhnlicher Rechner läuft gemäss Dallmann im täglichen Einsatz mit einer sehr viel tieferen Belastung. Bei den einzelnen Bauteilen solcher Rechner ist die Qualität daher nicht so wichtig. «Bei Supercomputern müssen sie jedoch optimal aufeinander abgestimmt sein», sagt er. Aus diesem Grund prüft der Schweizer Hersteller Bauteile ständig durch. Nur die besten Bauteile werden in die Supercomputer verbaut. Mit Erfolg. Gemäss der Top-500-Lis- 02 / 2016 www.netzwoche.ch © netzmedien ag

Teraflops Das Schweizer IT-Massiv: der Supercomputer Piz Daint. « Der derzeit schnellste Rechner verbraucht so viel Strom wie eine Kleinstadt. » Stefan Kraemer, Director Business Development HPC EMEA bei Nvidia Viel Strom für viel Leistung Ein Supercomputer sorgt auch für eine Superstromrechnung. «Der derzeit schnellste Rechner verbraucht so viel Strom wie eine Kleinstadt», sagt Stefan Kraemer, Director Business Development HPC EMEA bei Nvidia. Das aktuelle Prunkstück im HPC-Bereich ist der Tianhe-2 – die Nummer eins auf der Top-500-Liste. Er steht im National Super Computer Center in Guangzhou, China. Die Maschine vereint gemäss der Top-500-Liste mehr als 3 Millite verbrauchen Dalcos Lösungen bei gleicher Rechenleistung weniger Strom. Prozessoren sollen «aufpassen» «Wenn man von Hand viel rechnen muss, will man natürlich möglichst effiziente Algorithmen verwenden», sagt Schulthess. «Lässt man eine Maschine rechnen, kümmert man sich weniger um diese Effizienz.» Ein Supercomputer rechnet aber in derart grossen Dimensionen, dass auch elektronische Geräte zu lange brauchen würden, erklärt der CSCS-Direktor. Darum feilen die Entwickler im Wettrennen um die schnellsten Supercomputer nicht nur an der Hardware. «Wenn die Prozessoren miteinander kommunizieren müssen, will man natürlich, dass sie aufpassen», sagt Schulthess. Die Rolle des Oberlehrers spielt das Betriebssystem. Bei Supercomputern handelt es sich in der Regel um Linux-Systeme. Während man bei einem Rennwagen versucht, jedes unnötige Gramm über Bord zu werfen, will man bei einem Supercomputer das Hintergrundrauschen im Prozessor minimieren. «Alle Prozesse, die wir nicht brauchen, werden abgeschaltet.» So sollen sich die Prozessoren auf die eigentliche Auf gabe konzentrieren und keine unnötigen Operationen erledigen. Die Prozessorarchitekturen, auf denen das Betriebssystem läuft, sind im Wesentlichen die gleichen wie die regulären Rechner. Das CSCS verwendet für seine Rechner Xeon- Prozessoren von Intel, wie sie auch in Servern und Workstations verbaut werden. Diese vergleichbare Architektur kommt den Softwareentwicklern zugute. «Ich kann also eine Applikation auf meinem Laptop entwickeln und ohne grössere Probleme auf einen Supercomputer portieren», sagt Schulthess. Voraussetzung ist jedoch, dass man eine interaktive Programmiersprache wie Python verwendet. Probleme könnten eher beim Skalieren auftreten, nicht beim Portieren. Ein kleines System toleriert gewisse Fehler, die bei einem komplexen System mit unzähligen Rechenknoten schwer ins Gewicht fallen können. www.netzwoche.ch © netzmedien ag 02 / 2016

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