Herr Bode hat aber eine Historie hier in Karlsruhe, ist nicht zum
ersten Mal da, wie schon angeklungen ist, er ist einer der ersten
Diplom -Informatiker, auch hier, die die Universität Karlsruhe
hervorgebracht hat und hat 1972 seine Diplom-Urkunde erhalten und
wurde 1975 ebenfalls in Karlsruhe als Dr. Renat promoviert.
Er ging dann nach Gießen und von dort nach Erlangen-Nürnberg und wurde
dort 1987 C4-Professor an der TU München, war dort langjährig
Vizepräsident von 1999 bis 2008 und seit 2007 ist er Mitglied der
Bayerischen Akademie der Wissenschaften und seit 2008 der Vorsitzende
Direktor des Leibniz Supercomputing Zentrums, kurz LRZ.
Herr Bode, wir freuen uns, dass Sie uns einen Festvortrag angeboten
haben und auch geben werden und ich möchte Ihnen jetzt das Wort geben.
Sehr geehrter Herr Dekan Beigl, hohe Festversammlung, besonders freue
ich mich, dass ich unter den Anwesenden hier so viele meiner
akademischen Lehrer aus der Karlsruher Zeit, aus meiner Karlsruher
Studienzeit wieder sehe und stellvertretend möchte ich meinen
Doktorvater, Herrn Kollegen Alfred Schmidt und seine Frau besonders
begrüßen.
Ich freue mich sehr, dass ich Sie alle so gesund hier wieder sehe.
40 Jahre Fakultät für Informatik am KIT, eine weltweit renommierte
Spitzenfakultät, feiert Ihren Geburtstag und kann auf eine
beispiellose Erfolgsgeschichte zurückblicken.
Ich überbringe die Gratulation der Technischen Universität München von
Ihrem Präsident Wolfgang Herrmann, speziell aber natürlich von der
Fakultät für Informatik und Ihrem Dekan Kollegen Kretschmer.
Die Fakultät für Informatik der TU München misst sich ja immer wieder
gerne mit dem Geburtstagskind.
Und ich überbringe natürlich auch die Glückwünsche der Bayerischen
Akademie der Wissenschaften, die mit ihren über 250 Jahren die
ehrwürdige Mutter des Leibniz-Rechenzentrums ist, das in diesem Jahr
ja auch bereits seinen 50.
Geburtstag feiern durfte.
Ich bin aber besonders stolz darauf, dass ich als Alumnus der
Karlsruher Informatik meiner Alma Mater hier gratulieren darf und mein
Diplomzeugnis, im Übrigen noch mit der Unterschrift Fakultät für
Mathematik hier erhalten habe und auf der Promotionsurkunde dann eben
schon Fakultät für Informatik steht.
Und schließlich, ich bin auch stolz darauf, dass knapp 5% der
aktuellen Kollegen der Informatik bei mir promoviert haben, nämlich
die Kollegen Stamatakis und Karl.
Ich danke also für die Einladung zum Festvortrag, in dem ich aufzeigen
möchte, dass Informatik ein Querschnittsfach für alle modernen
Wissenschaften ist.
Prototypisch zeige ich das an meinem Arbeitsgebiet, nämlich dem
wissenschaftlichen Höchstleistungsrechnen.
In das wissenschaftliche Höchstleistungsrechnen, damit es richtig
funktioniert, müssen alle Erkenntnisse der Kerninformatik einfließen,
aber die Höchstleistungsrechner bedienen dann natürlich die
Anwendungswissenschaften.
Und insofern sehe ich ganz klar die Analogie zu den beiden
präsentierten Arbeitsgebieten Anthropomatik und Communication, wo eben
auch die Informatik in die verschiedenen Anwendungen hineinwächst und
vielleicht auch spezifisch für jede Anwendung weit hinein in die
Anwendung wächst.
Manchmal die Anwendung selbst mitgestaltet, manchmal mehr eine
Schnittstelle am Rand der Informatik besitzt.
Das Luftbild zeigt im Vordergrund die fünf Teilgebäude des Leibniz
Rechenzentrums.
Insbesondere diesen großen Bereich, der das Dark Center ausmacht, in
dem die Rechner, zurzeit eben auch der SuperMUG steht.
Das Leibniz Rechenzentrum ist gegründet worden als der IT
-Dienstleister für die Münchner Hochschulen.
Hat sich durch die Rezentralisierung, die sich in der Informatik
allgemein ergeben hat, natürlich von dieser rein lokalen Rolle, in der
sie heute mit knapp 200 Mitarbeitern etwa 150.000 Kunden im Münchner
Großraum bedient, entwickelt zu einem Dienstleister, der eben zum
Beispiel im Bereich Archivierung, aber speziell eben auch im
Supercomputing nationale und internationale Bedürfnisse abdeckt.
Der prominenteste Dienst des Leibniz Rechenzentrums ist das
wissenschaftliche Höchstleistungsrechnen, deswegen auch heute mein
Vortrag zu diesem Thema.
Auf der 39.
Ausgabe der sogenannten Top-500-Liste, die zweimal im Jahr die 500
leistungsfähigsten Rechnersysteme der Welt beschreibt, wurde dieser
Rechner, der hier in einer Simulation, die im Übrigen auf dem Rechner
selbst generiert worden ist, dargestellt wird, präsentiert.
Und zwar im Juni diesen Jahres als der leistungsfähigste Rechner in
Europa und der viertleistungsfähigste Rechner der Welt.
Die Besonderheit dieses Rechners ist, dass dieser Rechner aufgebaut
ist aus Standardbausteinen und die enorme Rechenleistung nicht durch
Akzeleratoren erbringt, sondern eben durch Standard-X86-Prozessoren
und deshalb für eine große Anzahl von Anwendungen nutzbar ist.
Zum anderen aber auch dadurch, dass bei der Konstruktion dieses
Rechners auf extreme Energieeffizienz Rücksicht genommen worden ist.
Und aus diesem Grunde wurde hier erstmalig von IBM eine Technologie
eingesetzt, die auf direkte Flüssigkeitskühlung und Warmwasserkühlung
zurückgreift.
Ich möchte nochmal aufzeichnen, warum das Höchstleistungsrechnen
innerhalb der Informatik so einen Querschnittscharakter hat.
Nun zum einen sind die Spitzensysteme natürlich durch eine ganz
besondere Rechner- und Systemarchitektur ausgezeichnet, die eben diese
Leistung überhaupt erbringen kann.
Wir müssen leistungsfähige, aber dennoch kleine Betriebssysteme auf
den einzelnen Knoten haben.
Wir benötigen Programmiersprachen und Programmiermodelle und Werkzeuge
für eine Skalierung, die in unserem Fall 160.000 Rechenkerne adäquat
aus einer Anwendung heraus bedienen kann.
Es ist eine Vernetzung notwendig, da die Rechner natürlich von außen
bedient werden, aber auch eine komplizierte Binnenstruktur haben.
Die Daten, die dort produziert werden und die verarbeitet werden,
benötigen massiv Archivierungsfähigkeiten.
Die Ergebnisse müssen visualisiert werden, weil sonst das Verständnis
für die Ergebnisse kaum möglich ist.
Und wir brauchen natürlich, um die Rechner vernünftig zu betreiben,
die jeweils besten Algorithmen.
Denn die beste Möglichkeit Strom zu sparen beim Betrieb der Rechner
ist es, einen möglichst effizienten Algorithmus einzusetzen.
Und dann kommt die ganze Frage, wie betreibt man diese Rechner?
Wir sind hier heute bei Rechnern, die im Bereich zwischen 3 und 10
Megawatt benötigen für ihren Betrieb.
Das Leibniz Rechenzentrum wird in diesem Jahr eine Stromrechnung in
der Größenordnung von etwa 8 Millionen Euro haben.
Und da kommt es sehr wohl darauf an, ob die Kühlung des Systems
zusätzliche 10 Prozent oder wie bei vielen amerikanischen
Rechensystemen noch 100 Prozent zusätzlich benötigt.
Das betrifft dann aber auch das Thema Gebäudetechnik, denn eine
effiziente Kühlung muss natürlich sehr fein gesteuert und geregelt
werden.
Also sind wir hier bereits wieder in der Gebäudetechnik und in den
eingebetteten Systemen.
Und schließlich die Nachfrage nach der Nutzung der Systeme kommt
praktisch aus allen Wissenschaftsbereichen, von der Medizin angefangen
und mit den Ingenieurwissenschaften aufgehört.
Hier kommen wir also zum Thema Rechnerarchitektur.
Das ist das grobe Schaltbild des Systems.
Es ist im Kern durch eine zweistufige Verbindungsstruktur auf Basis
von InfiniBand in der Variante FDR10 gekennzeichnet, die jeweils knapp
20.000 Prozessorkerne mit einer vollständigen Verbindung verbindet und
in einer zweiten Stufe etwa 20 Inseln solcher Systeme miteinander mit
einem Verbindungsgrad reduziert auf 4 zu 1 ebenfalls weiter verbindet.
Ich hatte schon erwähnt, dass wir die Verbindung natürlich auch zu den
Arbeitsbereichen mit Hintergrundspeicher und Archivspeicher benötigen.
An dieser Verbindungsstruktur hängen eben dann auch die
Archivspeicher, wobei hier im Archivspeicherbereich 30 Petabyte
genannt werden.
Wir sind derzeit dabei, auch diesen Bereich auf 120 Petabyte
auszubauen.
Die Prozessoren selbst sind in zwei Ausbaustufen entstanden.
Der Übergang vom letzten System einer SGI-Anlage mit knapp 10.000
Prozessoren auf Basis von Itanium mit Dual-Core-Systemen wurde
sozusagen durch ein Migrationssystem mit Westmeer EX-Bausteinen mit je
10 Cores pro Prozessor ersetzt.
Dieses System ist zugleich ein System, was pro Core 6,4 Gigabyte
Hauptspeicher aufweist und deshalb einen Ansatz bietet, wo Programme
auch mit sehr großem Speicherplatzbedarf für Einzelprozessoren
betrieben werden können.
Das wird ergänzt durch 18 weitere Inseln, bei denen jeder Knoten nur
noch über 2 Gigabyte Speicher verfügt, sodass also insgesamt etwa 160
.000 Knoten zur Verfügung stehen.
Die meisten Prozessoren sind jetzt auf Basis von Sandy Bridge EP
aufgebaut.
Das sind wiederum Prozessoren mit 8 Kernen pro Chip und der Knoten mit
2 Prozessoren hat dann also 16 solcher Kerne.
Dieses Bild des etwa 500 Quadratmeter großen Rechnerraums derzeit
zeigt diesen Raum kurz vor der Aufstellung der RECs, etwa am 15.
Januar diesen Jahres.
Im Hintergrund sehen Sie diese große dunkle Wand, das ist letztendlich
ein großer Wärmetauscher, der die Flüssigkeit, die direkt die Chips
kühlt, wir sagen die EBM-Flüssigkeit, umwandelt in eine einfachere
Flüssigkeit, die LAZ-Flüssigkeit, die dann benutzt wird, um zum Teil
unser Gebäude zu beheizen, zum Teil aber eben auch durch Rückkühlwerke
auf dem Dach ganz einfach heruntergekühlt wird.
Man sieht diese Schlauchverbindungen, die sozusagen für jedes REC die
Kühlmittelversorgung aus dem 2 Meter hohen Unterboden liefert.
Die Besonderheit des SuperMUG ist eben, dass er die große
Rechenleistung bezieht aus einem Allzweck-Programmiermodell auf Basis
X86, was für einfache Portierung, große Anwendungen und
zukunftssichere Zielarchitektur darstellt.
Heute ist der SuperMUG der energieeffizienteste Supercomputer auf
Basis des X86.
Das liegt einmal an der Gebäudeinfrastruktur, von der ich gleich
nachher noch ein paar Fotos zeige.
Es liegt aber daran, dass diese Infrastruktur eben eine direkte
Flüssigkeitskühlung bietet.
Diese direkte Flüssigkeitskühlung ist als Ergebnis eines Co-Designs
des etwa neunmonatigen wettbewerblichen Dialogs zu sehen, in dem
anfangs acht Hersteller konkurrierten und wo am Ende eben dann IBM den
Auftrag für die Erstellung bekommen hat.
In diesen neun Monaten sind die Details der Architektur gemeinsam mit
den aus den Anforderungen der Anwender abgeleiteten Eigenschaften des
Systems definiert worden.
Und IBM hat uns dann eben das System so wie es heute ist realisiert
und vertreibt dieses System jetzt natürlich auch an andere Kunden.
Das Leibniz Rechenzentrum hat eine mehr als 20-jährige Geschichte im
Supercomputing und da sind wir wieder bei der Rechenarchitektur, denn
in diesen 20 Jahren hat sich die Rechenleistung und die
Speicherkapazität des Hauptspeichers exponentiell entwickelt, also
etwa verzehnfacht alle vier Jahre, verdoppelt alle 14 Monate, also
etwas kürzer noch als das Gesetz von Moore mit den 18 Monaten sagt.
Und Sie finden hier die unterschiedlichsten Rechnerarchitekturen, also
von Vektorrechnern zu Multivektorrechnern zu Clusterrechnern, Cash
-only -Maschinen, Ensembles, dann die ersten Cluster und schließlich
jetzt eben ein mehrstufiges Cluster, sodass also tatsächlich ein Zoo
an Maschinen da war.
Sie sehen, die Entwicklung der Rechenleistung und der Kapazität ist
nicht ganz eine Treppenkurve über die jeweiligen Standzeiten der
Hauptsysteme von fünf Jahren.
Das liegt daran, dass man die Systeme in der Regel nach zwei Jahren
noch erweitert und ausbaut, sodass also die Treppe so leicht schief
ist.
Voraussetzung für den effizienten Betrieb ist die Energieeffizienz.
Zu diesem Zweck wurde speziell ein Gebäude erstellt, das in der Lage
ist, den sogenannten PUE, also das Verhältnis von Gesamtstrombedarf
der gesamten Infrastruktur zum Strombedarf des Rechnersystems, auf
etwa 1,1 im Bereich unseres Supercomputers bringt.
Das war das vorgegebene Ziel und das ist in diesem Gebäude realisiert
worden, wo nun zusammengebracht wird, die vier Bereiche, die zum
energieeffizienten Supercomputing notwendig sind.
Einmal eben die energieeffiziente Infrastruktur, die also zum Beispiel
darin bestehen, dass man versucht, Stromleitungen möglichst kurz zu
machen, um die Verluste schon beim Transport zu reduzieren, um die
Kühlungsinfrastruktur möglichst effizient zu machen und um
möglicherweise auch die Abwärme wieder rückzunutzen.
Leider ist es in unserem Fall so, dass wir neben der
Kühlungsinfrastruktur auf Basis von Warmwasser auch die klassische
Flüssigkeitsinfrastruktur mit Kaltwasser benötigen und schließlich
auch noch die Kühlung durch kalte Luft, sodass wir im Grunde zunächst
mal drei grundsätzliche Kühlungsinfrastrukturen betreiben, die sich
bezüglich ihrer Effizienz dramatisch unterscheiden.
Es gilt aber darum, die verschiedenen Rechnersysteme, die das Leibniz
Rechenzentrum betreibt, in einem vernünftigen Verbund
zusammenzubringen.
Wir sehen das nachher nochmal kurz an einem Schaubild.
Dann muss man natürlich auf der Seite des Rechners
energieeffizienteste Rechnerbausteine verwenden.
Zurzeit bedeutet das ganz klar, man muss einfach die neuesten
Bausteine verwenden, denn die Chiphersteller sind selbst ganz stark
daran interessiert, hier immer wieder neueste Technologien
einzuführen.
Und dort, wo es möglich ist, kann man natürlich durch Spezialhardware,
also durch Akzeleratoren, am energieeffizientesten arbeiten.
In unserem Fall, wo wir eine Maschine betreiben, die pro Jahr etwa 100
verschiedene Anwendungen sieht, in denen Tausende von Personenjahren
für die Entwicklung stecken, verbietet sich sowas.
Man kann hier nicht mit Grafikprozessoren arbeiten.
Deswegen benötigen wir eben eine Maschine, die auf
Allzweckprozessorenbasis aufgebaut ist.
Die Eigenschaften, die die Prozessoren heute anbieten bezüglich
Stromsparmöglichkeiten, müssen dann aber auch durch eine
energiebewusste Softwareumgebung genutzt werden.
Und das ist jetzt etwas, wo die Software Schwierigkeiten hat, mit der
Geschwindigkeit der Entwicklung in der Hardware Schritt zu halten.
Und deswegen ist das ein Arbeitsgebiet, was wir ganz eng in
Verschränkung zwischen der Fakultät für Informatik, die im
Nachbargebäude arbeitet und eben dem Leibniz Rechenzentrum bearbeiten.
Also Werkzeuge zur Überwachung und Optimierung des Stromverbrauchs des
Rechners selbst, aber auch der gesamten Gebäudeinfrastruktur.
Dann Energy-Aware-Hard- und Software-Werkzeuge zur Nutzung der
Energiesparmodi des Zielsystems.
Also beispielsweise können Sie bei dem Sandy Bridge Prozessor heute,
wenn Sie ihn schlafend legen, den Strombedarf auf etwa 10% reduzieren,
was bei Prozessoren vor fünf Jahren noch nicht der Fall war.
Und schließlich muss natürlich auch die Anwendungssoftware
entsprechend überwacht und optimiert werden.
Und schließlich, das hatte ich vorhin schon gesagt, das liegt dem
Informatiker natürlich besonders nahe, der Informatiker sollte die
effizientesten Algorithmen nutzen, denn die sind am
energiesparsamsten.
Die folgenden Folien habe ich mir von den Kollegen von IBM geborgt,
die zeigen nämlich, wie die deutschen IBM-Kollegen ihre Kollegen in
den USA davon überzeugen konnten, dass es eine vernünftige Idee ist,
einen besonders energieeffizienten Supercomputer zu bauen.
Natürlich ist die Motivation, Strom zu sparen in den USA, wo bei
vergleichbaren Rechenzentren der Strompreis nur ungefähr ein Zehntel
von dem ausmacht, was wir in München bezahlen, nicht so groß.
Trotzdem kann man heute sehen, dass der erste Kunde, der bei IBM nach
dem Leibniz-Rechenzentrum die IBM-Entwicklung wieder nutzen wollte,
das Department of Energy in den USA war.
Und Sie sehen daran in der linken Tabelle, die jetzt schon ein
bisschen veraltet ist aus dem Jahr 209, die Entwicklung der Kosten für
den Strom, für den Betrieb von Servern und die Anschaffungskosten von
Servern.
Und Sie sehen, dass da die Kosten für den Betrieb sehr in die Nähe der
Anschaffungskosten jährlich gerechnet kommen.
Wenn man jetzt den deutschen Strompreis hier einsetzt, dann würde man
ganz klar sehen, dass inzwischen die Kosten für den Strom, die
jährlichen Kosten für die Investitionen eines Systems bei Weitem
übersteigen.
Und das hat dann eben zum Effekt, dass auch Big Blue inzwischen grün
wird.
Hier sehen Sie noch eine Originalfolie auch von IBM, die zeigt, dass
die Berechnung für klassische Rechenzentren so aussieht, dass 53
Prozent des Stroms benötigt werden, um die Infrastruktur zu treiben
und nur 47 Prozent für das Rechenzentrum.
Ich habe Ihnen auch schon gesagt, der Wert bei uns ist jetzt 90 zu 10,
also 90 Prozent für den Rechner, 10 Prozent für die Infrastruktur.
Und das liegt daran, dass wir als Kühlung eben nicht die Luft, sondern
Flüssigkeit verwenden und Flüssigkeit ist nun mal der bessere Leiter.
Und die Flüssigkeit verwenden wir nicht wie bei klassischer
Technologie durch zirkulierte Luft, die am Rand des Gehäuses gekühlt
wird, sondern dadurch, dass wir die Flüssigkeit direkt über die
wärmsten Chips auf dem Rechner transportieren und damit die Wärme
direkt ohne weitere Luftzirkulation und vor allem ohne sehr viel
stromfressende Ventilatoren betreiben können.
Das führt dann dazu, dass unser Rechner von vorne und von hinten ganz
unterschiedlich aussieht.
Das rechts ist die Rückseite, wo man die Ein- und Ausgänge für die
Flüssigkeitskühlung sieht.
Das linke ist die Frontseite, an der Frontseite ist die Verbindung
eben zum InfiniBand, zu der Verbindungsstruktur des Gesamtsystems
Binnen - und Externverbindung.
Das ist jetzt ein aktuelles Foto der Rückseite der Maschine in einem
warmen Gang.
Das Wasser tritt hier mit etwa 45 Grad ein und hat beim Ausgang etwa
60 Grad, sodass wir also tatsächlich hier warme Gänge an den
Rückseiten der Rechner haben.
Das Ganze ist eingebettet in eine Infrastruktur unseres Dark Centers,
die streng die Stockwerke nach Funktionen trennt.
So ist im Untergeschoss alles, was mit Energieversorgung zu tun hat,
untergebracht.
Im Erdgeschoss Kühlung und Klimatisierung.
Dann kommen drei funktionale Stockwerke, nämlich die Speicherung,
darüber dann die allgemeinen Server.
Wir betreiben ja etwa 2000 verschiedene Server für unsere Kunden an
den Münchner Universitäten.
Und schließlich im obersten Stockwerk steht dann der Supercomputer.
Diese Systeme benötigen heute noch die vorhin schon drei
angesprochenen unterschiedlichen Kühlkreisläufe, also Warmwasser,
Kaltwasser und Luft, die wir versuchen, so weit wie möglich
miteinander zu vernetzen.
Wir versuchen sogar, über Adsorptionsmaschinen aus warmen Wasser
wieder Kaltwasser zu generieren.
Das ist heute ganz klar noch nichts, was man kostengünstig betreiben
kann, aber es ist ein Versuch wert und wir werden das fortsetzen.
Die folgenden Bilder zeigen jetzt die Komplexität einer
Flüssigkeitskühlungsinfrastruktur.
Hier zunächst im Doppelboden unmittelbar unter dem Rechner.
Der Rechner hat auch durch den Energiesparmodus unter anderem bedingt,
natürlich nicht mehr einen konstanten Kühlmittelbedarf, weswegen es
notwendig ist, in größerem Umfang auch Kühlmittel vorzuhalten.
Das heißt, es gibt eine größere Anzahl von Tanks und Weichen, wie man
eben bei größeren Temperaturen den Rechner schneller mit Flüssigkeit
versorgt.
Das ist auch das Klimastockwerk, die Spange im Superrechnerbereich und
das Dach verteilt und bedarf wiederum einer intensiven Steuerung, die
wir heute versuchen, gemeinsam mit den Herstellern der verschiedenen
Teile gemeinsam weiter zu optimieren, um den Stromverbrauch insgesamt
noch zu reduzieren.
Ein großer Vorteil der Warmwasserkühlung ist der, dass man ein 60
-Gradiges Wasser auch im Sommer in München auf 40 Grad frei kühlen
kann.
Das heißt, von einem ökologischen Standpunkt vielleicht nicht so
schön, wir geben die Wärme einfach an die Natur ab, aber vom
Stromverbrauch, von der Stromrechnung her natürlich ideal, es kostet
nämlich nichts.
Trotzdem ist natürlich unser Anspruch, dass wir künftig die Wärme in
größerem Maße rücknutzen, als wir das jetzt tun, insbesondere zum
Beispiel, um die Gebäude auf dem Campus in Garching zu heizen oder im
Sommer auch zu kühlen.
Die zweite große Säule bezüglich der Energieeffizienz war die Säule,
die sich befasst mit den guten Algorithmen.
Wir haben einmal versucht, in den letzten Jahren nach den
verschiedenen Fachgebieten aufzutragen, wie bei ein und derselben
Rechnerarchitektur die verschiedenen Anwendungsprogramme Leistung aus
der angebotenen Architektur ziehen.
Und Sie sehen, es gibt riesige Unterschiede bezüglich der Leistung.
Die beziehen sich alle so auf einen Bereich zwischen etwa 2% und
maximal 15% der Nutzung der theoretischen Maximalleistung der
Architektur.
Also, hier ist noch genug für die Informatik zu tun, um neue
Architekturen und skalierbare Lösungen zu programmieren.
Von der Prozessortechnologie habe ich schon erwähnt, dass der aktuelle
Prozessor CentiBridge EP sparsame Betriebsmodi anbietet.
Er kennt unterschiedliche Systemzustände, aktiv, schlafend und
weitere, die sich mit der Stromaufnahme ganz wesentlich unterscheiden.
Es ist aber auch möglich, softwaremäßig die Taktfrequenz einzustellen,
sodass wir auf unserem System ein Werkzeug betreiben, das bei der
erstmaligen Ausführung eines Anwendungsprogramms die Charakteristika
des Programms misst und daraus einen optimalen Taktfrequenzbetrieb
ableitet, sodass beim nächsten Aufruf des Programms der Prozessor
entsprechend getaktet wird.
Denn die Leistungsaufnahme ist ja unmittelbar proportional zur
Taktfrequenz.
Und natürlich, man weiß ja, dass viele Anwendungen nicht
rechenzeitbeschränkt sind, sondern speicherbeschränkt,
einausgabebeschränkt oder intern kommunikationsbeschränkt.
Darüber hinaus kann man bei den modernen Prozessoren auch feststellen,
dass deren Verbrauch hochgradig abhängig ist, nicht nur vom Takt,
sondern auch von der Spannung und von der Temperatur, zu der sie
betrieben werden.
Auch das sind Dinge, die wir in unseren Werkzeugen mit berücksichtigen
wollen.
Allerdings muss man sehen, die Marktreife dieser Prozessoren mit
Sparmodi hat zunächst mal eine große Euphorie bezüglich den
Sparmöglichkeiten geliefert.
Diese Euphorie ist inzwischen in eine Skepsis übergegangen und
tatsächlich werden heute wieder großflächigere Werkzeuge angesehen,
die versuchen sollen, Anwendungen an und für sich in Teile
einzuteilen, die die Prozessoren dann besser nutzen.
Um zu belegen, wie stark die Nutzungsart, die Leistungsaufnahme der
Gesamtanlage betrifft, sehen Sie hier die Aufzeichnung des
Strombedarfs für den Betrieb unseres Rechners während der Messung des
LINPACKs, der also zur Kategorisierung in den Top 500 geführt hat.
Und man sieht, es gibt hier am Anfang einen Bereich, wo die Maschine
so etwa 1 Megawatt benötigt und im Turbomodus benötigt sie so knapp 4
Megawatt.
Das heißt, es gibt also einen ganz wesentlichen Unterschied, was der
Prozessor tut, bezüglich dem, wie viel er verbraucht und es lohnt sich
hier zu messen.
Die verschiedenen Kurven, die zeigen nur, dass je nachdem, was man
misst, natürlich auch ganz unterschiedliche Ergebnisse entstehen.
Es gibt ja auch die Top 500 der energieeffizientesten Systeme.
Da ist oftmals an den unteren Kurven gemessen, die eigentlich nur im
System selbst messen, wie viel Strom verbraucht wird, obwohl das
vernünftige Maß ja die Gesamtinfrastrukturmessung wäre, also die
Berücksichtigung auch der Kühlungsinfrastruktur und der weiteren
Gebäudeinfrastruktur.
Wir machen uns stark dafür, dass wir die Energieeffizienz eben eher
mit den oberen Kurven misst.
Für die Infrastruktur haben wir in diesem Jahr auch den Deutschen
Rechenzentrumspreis erhalten und arbeiten hier ganz eng zusammen mit
den verschiedensten Kooperationspartnern, einmal im Großraum München,
aber natürlich auch insbesondere in Europa, in dem Zusammenschluss
PRACE, Partnership for Advanced Computing in Europe, wo derzeit die
Rechendienstleistungen unseres Systems an Wissenschaftler in insgesamt
24 Ländern angeboten werden.
Welche Anwender nutzen unser System?
Das ist jetzt mein letzter Abschnitt.
Sie sehen, es gibt aus den verschiedensten Wissenschaftsbereichen hier
Anwendungen, das ist jetzt ein Schnappschuss über ein Jahr, die
Statistik sieht jedes Jahr ein bisschen anders aus, aber man kann
sagen, etwa ein Drittel sind die klassischen Ingenieuranwendungen,
etwa 50% sind die verschiedensten Bereiche der Physik, von der
Astrophysik über Fusionsforschung, Festkörperphysik, und dann hat man
nochmal ein Viertel, wobei dort eben vor allem die
Lebenswissenschaften stark im Ansteigen sind.
Jetzt komme ich noch zu vier kurzen Anwendungen.
Dies ist eine erste Anwendung, die auf dem SuperMUG kürzlich gerechnet
wurde, und zwar ist das eine Aktivität der Audi AG.
Die Audi AG hat den Prozess des virtuellen Erstellens von PKWs.
Das bedeutet, der Vorstand entscheidet, wie die einzelnen Komponenten
des PKWs aussehen sollen, aber nicht mehr anhand von Modellen, sondern
es ist ein rein virtuelles Modell.
Dazu müssen extrem wirklichkeitsnahe Darstellungen schnell produziert
werden.
Das Auto, was Sie da sehen, ist also nicht fotografiert, sondern ist
mit der Software Autodesk auf einigen hundert Prozessoren produziert.
Und es war jetzt die Frage, ob man die Änderung solcher Modelle eben
auch dadurch beschleunigen könnte, dass man die Software jetzt auch
auf einige tausend oder gar hunderttausend Prozessoren parallel
betreibt.
Und das ist also tatsächlich erfolgreich passiert.
Eine andere Anwendung, die jetzt mehr aus dem Wissenschaftsbereich
kommt, ist das Stratosphären-Observatorium.
Das ist eine Einrichtung, die in einer Boeing 747SP untergebracht ist,
wo ein großes Teleskop im Flugzeug in 14 Kilometer Höhe dadurch also
die Umwelt ansehen kann, dass man am Flugzeug eine größere Öffnung
öffnet, sodass dann also in den Weltraum hinausgeschaut werden kann.
Das produziert natürlich enorme Schockwellen im Flugzeug, im Flug.
Und es war jetzt die interessante strömungsmechanische Frage, wie man
das Flugzeug und die Ränder dieser Öffnung so verändern kann, dass
eben diese Schockwellen reduziert werden und das Observatorium
vernünftig betrieben werden kann.
Und es konnte tatsächlich hier in dem Projekt SOFIA von den
Wissenschaftlern aus Stuttgart gezeigt werden, dass man hier durch
eine kleine Veränderung am Rumpf des Flugzeugs dieses Teleskop viel
besser betreiben kann.
Eine andere Anwendung, Kooperation zwischen der TU Berlin und Rolls
-Royce, ist die Suche nach Geometrien für Flugzeugturbinen, die
deutlich leiser werden.
Auch hier wieder ein strömungsmechanisches Problem.
Auch hier konnte man mittels Großrechneranwendung erfolgreich eine
neue Lösung suchen.
Und schließlich noch eine Anwendung aus dem Bereich der
Naturwissenschaften.
Das ist das Geoid, also die physikalische Darstellung des
Schwereverhältnisses in der Erde.
Das ist durch den Kollegen Gruber an der TU München durchgeführt
worden.
Diese Ausbuchtungen sollen also die verschiedenen Schwerpunktbereiche,
Gravitationsbereiche auf der Erde zeigen.
Die sind natürlich ganz wesentlich zum Beispiel für die Ozeanströme
und beeinflussen natürlich insofern zum Beispiel unsere
Klimaentwicklung und sind damit eine wichtige Voraussetzung für viele
Fragestellungen in der aktuellen Naturwissenschaft.
Was passiert mit dem SuperMUG in nächster Zeit?
Wir müssen in zwei Jahren unseren Rechner aufrüsten und werden dann
eine heterogene Rechnerarchitektur verwenden, die auf ManyCore
-Prozessoren mit aufbaut, die aber eine Programmierschnittstelle
haben, die der x86-Schnittstelle sehr ähnlich ist, sodass wir dann
auch dort Anwendungen auf einfache Weise übertragen können.
Wir sehen uns die Fragestellungen an, die in dem Jahr 2020 etwa
anstehen, zu Exascale-Systemen, untersuchen dort im Projekt DEEP,
gemeinsam mit Jülich und europäischen Kollegen, die Intel-Phi
-Architektur.
Im Mont Blanc-Projekt wird versucht, besonders energieeffizient durch
den Einsatz von Prozessoren aus dem mobilen Bereich, also durch
Armprozessoren, zu arbeiten.
Und es gibt noch die europäische Exascale-Initiative, an der das
Leibniz -Rechenzentrum auch beteiligt ist.
Es ist aber ganz klar, dass mit den höheren Parallelitätsgraden, die
auf den kommenden Systemen angeboten werden, also sehr bald Systeme
mit einer Million Rechenkernen und mehr, es immer notwendiger wird,
die Anwendungen so zu beeinflussen, dass die Lösungen skalieren, auch
mit dieser großen Prozessorzahl.
Und es wird künftig stark darauf ankommen, eben stärker noch in die
Anwendungen hineinzugehen und die Lösungen dort zu beeinflussen.
Darüber hinaus sind neue Paradigmen des Betriebs von Rechnern zu
betrachten, also stärkere Berücksichtigung von Anwendungen mit
riesigen Datenmengen, Realzeitanforderungen, zum Beispiel in der
Risikoanalyse, integrierte Visualisierung direkt im Sinne eines
Steering der Anwendungen und schließlich eben ganz allgemein das
Computational Steering.
Ich hoffe, ich konnte Ihnen zeigen, am Beispiel des
Höchstleistungsrechnens, dass die Informatik wirklich eine
Querschnittarbeit ist und eine Querschnittfakultät ist.
Ich habe ja, das wurde vorhin von Ihnen erwähnt, Herr Dekan, neun
Jahre als Vizepräsident an der TU gearbeitet und mit die schönsten
Momente waren immer dann, wenn Präsident Herrmann sagt, die Informatik
ist die Leitfakultät der Technischen Universität München, im Sinne
eben der Strukturfakultät.
Ich möchte der Informatik der Universität Karlsruhe oder des KIT
wünschen, dass sie in ihrer Zukunft diese Funktion der Leitfakultät
des KIT auch wahrnehmen kann und es ist schade, dass der Herr
Präsident Umbach jetzt nicht mehr da ist, dann hätte man ihm das noch
mitgeben können.
Die Mutterfakultäten Elektrotechnik, Informationstechnik und
Mathematik waren über das rasch wachsende Kind Informatik nicht immer
glücklich.
Ich erinnere mich an meine Zeit in den Gremien der Entwicklung der
Informatik hier in Karlsruhe, denn die Pubertät der Informatik ist ja
praktisch explosionsartig gelaufen.
Aber auch die Informatik muss vermutlich in der Zukunft akzeptieren,
dass dereinst Fakultäten aus der Fakultät für Informatik heraus
entstehen.
Und ich denke, es gibt solche Entwicklungen, Wirtschaftsinformatik,
Robotik, Medieninformatik, Lebensengineering, Energieinformatik, an
vielen Stellen sind ja längst neue Studiengänge entstanden und es wird
sich die Frage stellen, wann der Zeitpunkt gekommen ist, dass daraus
genügend Substanz da ist, um neue Fakultäten zu bilden.
Und die Informatik sollte dann so gelassen wie die Physik, der einst
auf die Elektrotechnik ihre Tochter geschaut hat und wie inzwischen
die Elektrotechnik an vielen Stellen auf die Informatik schaut.
In diesem Sinne wünsche ich der Informatik als der Leitfakultät des
KIT eine gute Zukunft.
Ad multos annus.