Effizienz bei HPC: Deutscher Supercomputer HoreKa wird diese Woche eingeweiht

Eines der effizientesten Rechensysteme der Welt steht in Deutschland: HoreKa läuft inzwischen auf Hochtouren, in Kürze erfolgt die offizielle Einweihung.

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(Bild: KIT)

Von
  • Mark Mantel

Bläulich leuchtet es in den Gängen des neuen Superrechners HoreKa am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Links und rechts ragen Wände voller Technik empor, Kabel greifen krakenartig um sich. Längst wird auf dem System schon gearbeitet. Unter anderem haben Astrophysiker vom Teilchenbeschleuniger Cern das System mit Berechnungen getestet, sagte Jennifer Buchmüller, Leiterin des Bereichs High Performance Computing (HPC) am Steinbuch Centre for Computing des KIT gegenüber dpa. Am Freitag nun wird HoreKa offiziell eingeweiht.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus ganz Deutschland sollen den Superrechner nutzen. Er kann den Angaben nach rund 17 Billiarden Rechenoperationen in der Sekunde bewältigen. Sprich: 17 PetaFlops mit doppelter Genauigkeit (FP64). Damit zählt HoreKa zu den 15 schnellsten Rechnern Europas. Er soll helfen, Fragen etwa aus den Erdsystem- und Materialwissenschaften, der Energie- und Mobilitätsforschung im Ingenieurwesen sowie der Teilchen- und Astroteilchenphysik zu beantworten.

Zum Einsatz kommt Intels erste Server-Prozessorgeneration mit Strukturbreiten von 10 Nanometern, Ice Lake-SP, gepaart mit Nvidias GPU-Beschleunigern A100. Die verwendeten Xeon Platinum 8368 haben jeweils 38 CPU-Kerne und erreichen Taktfrequenzen zwischen 2,4 und 3,4 GHz. In der Top500-Liste der weltweit schnellsten Supercomputer ist HoreKa bereits enthalten. Gemessen am Linpack-Benchmark erreicht das System 15 PetaFlops, was für den 52. Platz reicht. Je nach Anwendung fällt die gemessene Rechenleistung höher oder niedriger aus.

Die A100-Beschleuniger nutzt auch der schnellste europäische Supercomputer, das Juwels Booster Module, welches ebenfalls in Deutschland steht, genauer im Forschungszentrum Jülich. Anstelle von Intel-CPUs tritt AMDs Epyc 7002 alias Rome. Die Kombination aus Prozessoren und A100-Beschleunigern schafft 44,1 PetaFlops.

Das KIT wirbt bei HoreKa mit einem grünen Thema: Auf der internationalen Green500-Liste der energieeffizientesten Supercomputer weltweit landet HoreKa auf Platz 13. Mit einem Watt elektrischer Energie schafft das System rund 22,4 Milliarden Operationen in der Sekunde (22,4 GigaFlops/Watt). Das angesprochene Juwels Booster Module liegt mit 25 GigaFlops pro Watt auf Platz 8 der Green500-Liste.

In Karlsruhe wird die Warmwasser-Kühlung des Rechnergebäudes genutzt, um das System ganzjährig mit minimalem Energieeinsatz zu kühlen, wie Buchmüller erklärte. "In den kälteren Jahreszeiten können auch die Büroräume mit der Abwärme beheizt werden." Bis zu 90.000 Liter Kühlwasser fließen laut KIT pro Stunde durch die Rohre.

Lenovos Server-Plattform ThinkSystem SD650 v2, auf die das KIT beim Supercomputer HoreKa setzt.

(Bild: Lenovo)

Warmwasserkühlung und Abwärmenutzung sind nach Einschätzung von Nick Kriegeskotte, Bereichsleiter Infrastruktur und Regulierung beim Branchenverband Bitkom, gerade im HPC-Bereich weiter verbreitet als anderswo. "Obwohl gerade für Forschungszwecke sicher auch mal ein vorübergehend höherer Energieverbrauch erlaubt sein sollte als in Standardanwendungen, sind insbesondere die High-Performance-Computing-Systeme oftmals sogar deutlich effizienter als die kommerziellen Systeme", sagte er.

Die Infrastruktur für die Warmwasserkühlung kommt in einen eigenen Schrank, darunter etwa die Pumpen.

(Bild: KIT)

Ein weiterer Ansatz: Kapazitäten der Server besser auszunutzen mit Hilfe von Virtualisierung. "Dabei wird ein physischer Server in mehrere virtuelle Umgebungen unterteilt, in welchen unterschiedliche Aufgaben bearbeitet werden, die alle gemeinsam die Rechnerleistung des einen Servers nutzen", erläuterte Kriegeskotte. Auch Chirag Dekate von der Analysefirma Gartner nannte das Beispiel, "um extreme Leistung auf kleinstem Rechenbedarf zu liefern".

Bei Hochleistungsrechnern kommt laut Kriegeskotte im Gegensatz zu kommerziellen Rechenzentren noch eine bessere Planbarkeit der Rechenleistungen hinzu, "sodass die Systeme optimal ausgenutzt werden können". Hier wollen auch Buchmüller und ihr Team am KIT ansetzen: Forscher und Forscherinnen müssen ihr Vorhaben anmelden, kriegen ein Kontingent zugewiesen und kommen auf eine Warteliste.

Zudem wollen die HoreKa-Experten ressourcenschonende Programme vorantreiben. "Wie man optimiert programmiert, ist die hohe Kunst", sagt Buchmüller. Dafür werden extra Kurse angeboten, bei Bedarf aber auch der einzelne Code unter die Lupe genommen und verbessert. "Kein Physiker muss Experte im Programmieren werden", sagt die Fachfrau.

Das Thema Energieeffizienz ist also in der Welt der Superrechner längst angekommen. Der Energieverbrauch sei in den vergangenen Jahren schon enorm gesenkt worden, sagte Kriegeskotte. Zumal es allgemein Konsens sei, dass ein Ausbau der digitalen Infrastruktur unbedingt notwendig ist – unter anderem, um die Klimaziele erreichen zu können.

Auch Analyst Dekate warnt davor, bei Supercomputing Nachhaltigkeit und Leistung gegeneinander auszuspielen, "da es die Verfügbarkeit nicht existierender Alternativen impliziert". Energieeffizienz und Stromverbrauch seien bei den Entwicklern von HPC-Architekturen keine nachträglichen Überlegungen, sondern wichtige Designkriterien. Die Kosten dafür, nicht in das Lösen von Herausforderungen wie die Kohlenstoffbindung zu investierten oder kurzsichtige Verzögerungen einzuführen, "wären unermesslich schlimmer".

(mma)