Digitale Höchstleistungen: Im Forschungszentrum Jülich läuft jetzt der schnellste Supercomputer Europas – und der siebtschnellste Rechner der Welt. Der JUWELS-Supercomputer erreicht dank eines speziellen Modulaufbaus 85 Petaflops – 85 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde. Gleichzeitig ist er das energieeffizienteste System in dieser höchsten Leistungsklasse. Möglich wird dies unter anderem durch eine flexible Kombination von Prozessoren und Grafikprozessoren.
Ob die Entwicklung kosmischer Großstrukturen, die Strömungen in der Atmosphäre oder die Suche nach neuen Wirkstoffen für die Medizin: Wenn es um die Simulation komplexer Prozesse geht, sind Supercomputer gefragt. Erst die geballte Rechenleistung ihrer parallel geschalteten Prozessoren und Rechenknoten ermöglicht es, die enormen Datenmengen zu verarbeiten.
Der Clou ist die Architektur
Jetzt gibt es Zuwachs in der Riege der Superrechner: Am Forschungszentrum Jülich läuft jetzt der schnellste Supercomputer Europas. Mit einer Rechenleistung von 85 Petaflops – 85 Billarden Rechenoperationen pro Sekunde – steht das JUWELS-System auf Rang sieben der aktuellen TOP500-Liste der schnellsten Computer der Welt. Gleichzeitig ist er das energieeffizienteste System in der höchsten Leistungsklasse.
Möglich wird dies dank einer besonderen Architektur: „Der Clou bei JUWELS ist, dass beide Module, das bisherige Cluster-Modul, das mit schnellen Prozessoren (CPUs) arbeitet, und das Booster-Modul mit seinen Grafikprozessoren, ganz eng verschaltet sind“, erklärt Bernhard Frohwitter von ParTec, einem der Entwicklungspartner des Systems. JUWELS kann dadurch innerhalb eines Codes dynamisch auf CPUs und GPUs zugreifen und die Rechnung so optimieren.
Grafikprozessoren als Booster
Das Booster-Modul des Supercomputers umfasst neben knapp 45.000 CPU-Kernen rund zwölf Millionen sogenannte CUDA-Kerne (FP64) auf seine Grafikprozessoren. Diese von der Firma Nvidia entwickelte Programmier-Technik erlaubt es den Grafikprozessoren, Teile der CPU-Rechenarbeit zu übernehmen. Sie sind dabei gerade bei massiv parallelem Arbeiten signifikant schneller als herkömmliche Prozessorkerne.
„Das neue Booster-Modul ist mit seinen leistungsstarken, hocheffizienten Grafikprozessoren speziell für ausgesprochen rechenintensive Anwendungen ausgelegt, die sich gut parallel auf einer großen Zahl von Rechenkernen bearbeiten lassen“, erläutert Dorian Krause vom Forschungszentrum Jülich. Der Booster allein erreicht dadurch eine Spitzenleistung von 73 Petaflops. Speziell für KI-Anwendungen sind sogar bis zu 2,5 Exaflops möglich – das entspricht 2,5 Trillionen Rechenoperationen pro Sekunde.
Effizient dank flexibler Arbeitsteilung und Wasserkühlung
Trotz dieser enormen Rechenleistung ist der JUWELS-Supercomputer auf maximale Energieeffizienz getrimmt. „JUWELS ist unter den Top Ten der weltweit schnellsten Rechner führend in der Energieeffizienz“, sagt Krause. Erreicht wird dies unter anderem durch die effiziente Arbeitsteilung innerhalb des Systems, aber auch durch eine direkte Wasserkühlung der Prozessoren, die effizienter ist als die sonst oft gängige Kühlung durch Lüfter.
„Wir verstehen Supercomputing nicht nur als Gegenstand unserer Forschung, sondern vor allem auch als mächtiges Werkzeug“, sagt Wolfgang Marquardt, Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich. „Gleichzeitig demonstrieren wir mit dem System aber auch den verantwortungsvollen Umgang mit dem immer weiter zunehmenden Energiebedarf für die Bereitstellung von Rechenleistung.“
Von antiviralen Wirkstoffen bis zu Erdrutschen
Eingesetzt werden soll die Rechenpower des JUWELS-Supercomputer für wissenschaftliche Fragestellungen auf nationaler und europäischer Ebene. „Ein in der derzeitigen Corona-Pandemie aktuelles Beispiel liefert die Unterstützung der Medikamentenentwicklung am Computer“, sagt Thomas Lippert, Leiter des Jülich Supercomputing Centre. „Erst die Rechenpower des Boosters ermöglicht es unseren Forschern, die Prozesse vor, während und nach dem Aufeinandertreffen eines potenziellen Wirkstoffs mit einem Rezeptor oder Protein realitätsnah genug zu simulieren.“
Aber auch in den Geowissenschaften kann der Supercomputer eingesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist die detaillierte Simulation von Oberflächen-, Erd- und Grundwasserbewegungen. Mit dem JUWELS-Booster sind Forscher erstmals in der Lage, Simulationen für Deutschland und Europa mit der erforderlichen Feinauflösung, zum Beispiel von einzelnen Hängen oder Flusskorridoren, durchzuführen.
Auf dem Weg zum Exascale-Rechner
Für die Wissenschaftler des Jülicher Supercomputer-Zentrums ist das aktuelle JUWELS-System aber auch ein Meilenstein auf dem Weg zu einem ersten Exascale-Rechner. Ein solcher Supercomputer hätte eine Rechenleistung von einem Exaflops – einer Trillion Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Der Bau und Betrieb eines solchen Rechners gilt weltweit als nächster großer Schritt im Supercomputing.
In Europa könnte der erste Exascale-Rechner schon ab 2023 an den Start gehen – und das aktuelle JUWELS-System ist ein guter Ausgangspunkt: „JUWELS modulare Architektur, das Design seiner Rechenknoten, das Netzwerk, die Infrastruktur und die Kühlung sowie die Software-Architektur lassen sich ohne Weiteres auf einen Exascale-Rechner übertragen, wobei Kosten und Energieaufwand vertretbar bleiben“, erklärt Lippert.
Und nicht nur das: Die modulare Bauweise von JUWELS ermöglicht es auch, künftig Zukunftstechnologien wie Quantencomputer-Module oder neuromorphe Rechner nach Vorbild des Gehirns in das System zu integrieren, wie die Jülicher Forscher erklären.
Quelle: Forschungszentrum Jülich
