Supercomputer made in Jülich
Das Forschungszentrum Jülich und seine Partner haben einen Rechner konstruiert, der 85 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde ausführen kann.
Foto: Forschungszentrum Jülich/Wilhelm-Peter Schneider
Der Jülicher Supercomputer Juwels wurde in den letzten Monaten fertig ausgebaut. Dank eines neuen Boostermoduls sind nun 85 Petaflops möglich, was 85 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde oder der Rechenleistung von mehr als 300 000 modernen PCs entspricht. Juwels kann damit die Grenzen von Simulationen massiv ausweiten und bietet zudem die stärkste Plattform Europas für den Einsatz künstlicher Intelligenz (KI). Der Rechner, den das Forschungszentrum Jülich, das französisch-deutsche Unternehmen Atos und der Münchner Supercomputingspezialist ParTec gemeinsam mit dem US-Hersteller Nvidia entwickelt haben, ist aktuell das schnellste System in Europa.
Platz sieben der schnellsten Computer
Der Jülicher Superrechner, der durch das nationale Gauss Centre for Supercomputing finanziert wird, erreichte den siebten Platz auf der heute erschienenen Top-500-Liste der schnellsten Computer der Welt. Die Plätze davor belegen US-amerikanische und chinesische Supercomputer. Auf der aktuellen Green-500-Liste rangiert Juwels auf Platz drei und ist das energieeffizienteste System in der höchsten Leistungsklasse.
Komplexe Forschungsfragestellungen beantworten
„Wir verstehen Supercomputing nicht nur als Gegenstand unserer Forschung, sondern vor allem auch als mächtiges Werkzeug, mit dem wir gemeinsam mit unseren Partnern aus Wissenschaft und Industrie komplexe Forschungsfragestellungen beantworten können“, sagt Wolfgang Marquardt, Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich.
Mit dem vollständig ausgebauten Juwels-System ermögliche das Forschungszentrum Jülich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unterschiedlichster Institutionen und wissenschaftlicher Disziplinen den Zugriff auf Höchstleistungsrechenkapazitäten auf allerhöchstem Niveau. „Gleichzeitig demonstrieren wir mit dem System aber auch den verantwortungsvollen Umgang mit dem immer weiter zunehmenden Energiebedarf für die Bereitstellung von Rechenleistung“, ergänzt Marquardt.
Medikamentenentwicklung am Computer
Ein in der derzeitigen Covid-19-Krise sehr aktuelles Beispiel liefere die Unterstützung der Medikamentenentwicklung am Computer, erklärt Thomas Lippert, der 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.“
Wasserbewegung erforschen
Ein weiteres Beispiel sei die detaillierte Simulation von Oberflächen-, Erd- und Grundwasserbewegungen. Mit dem neuen 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.
Intelligente Aufgabenteilung
Juwels beruht auf einer hoch flexiblen modularen Architektur, die das Forschungszentrum Jülich gemeinsam mit europäischen und internationalen Partnern entwickelt hat. „Das neue Boostermodul ist mit seinen leistungsstarken, hoch effizienten Grafikprozessoren speziell für ausgesprochen rechenintensive Anwendungen ausgelegt, die sich gut parallel auf einer großen Zahl von Rechenkernen bearbeiten lassen“, erläutert Dorian Krause, der in Jülich für den Aufbau und Betrieb des außerordentlich komplexen Systems verantwortlich ist. „Zudem ist Juwels unter den Top Ten der weltweit schnellsten Rechner führend in der Energieeffizienz.“
Die Technik dahinter
Der Jülicher Supercomputer ist als einer der ersten mit Nvidia-A100-Tensor-Core-GPUs ausgestattet, die auf der Nvidia- Amperearchitektur basieren. Etwa 12 Mio. sogenannte Cuda-Kerne (FP64) vereint der Booster auf seinen über 3700 Grafikprozessoren, die über ein Nvidia- Mellanox-HDR-Infiniband-Höchstleistungsnetz mit 200 Gb/s miteinander verbunden sind. Der Booster allein erreicht eine Spitzenleistung von 73 Petaflops. Speziell für Anwendungen bei der künstlichen Intelligenz (KI), die andere Anforderungen an die Hardware stellen, sind sogar bis zu 2,5 Exaflops möglich: Das entspricht 2,5 Trillionen Rechenoperationen pro Sekunde. Das Modul ist damit die stärkste Plattform Europas für den KI-Einsatz.
Der Clou: Enge Verschaltung
„Der Clou bei Juwels ist, dass beide Module, das bisherige ‚Clustermodul‘, das mit schnellen Prozessoren (CPUs) arbeitet, und das Boostermodul mit seinen GPUs, ganz eng verschaltet sind“, sagt Bernhard Frohwitter, CEO des Münchner Supercomputingspezialisten ParTec. Die Zusammenarbeit der Module steuert dabei ParTecs modulares Softwaresystem ParaStation Modulo, eine weltweit führende Entwicklung aus Deutschland. „Mit ParaStation Modulo kann Juwels innerhalb eines Codes dynamisch beliebig auf CPUs und GPUs zugreifen und die Rechnung so optimieren.“
Der nächste Superrechner in Sichtweite
Für Thomas Lippert ist das Juwels-System ein Meilenstein hin zum europäischen Exascale-Rechner, der ab 2023 an den Start gehen soll. Der Bau und Betrieb eines solchen Supercomputers gilt weltweit als nächster großer Schritt im Supercomputing. Mit einer Rechenleistung von mindestens einem Exaflops, also von 1 Trillion Gleitkommaoperationen pro Sekunde, wäre er noch mindestens zwölfmal schneller als der Juwels-Supercomputer.
„Juwels modulare Architektur, das Design seiner Rechenknoten, das Netzwerk, die Infrastruktur und die Kühlung sowie die Softwarearchitektur lassen sich ohne Weiteres auf einen Exascale-Rechner übertragen, wobei Kosten und Energieaufwand vertretbar bleiben“, erklärt Lippert.
Vorbild: Das menschliche Gehirn
Auch in anderer Hinsicht ist Juwels perfekt auf die Zukunft des Supercomputing vorbereitet. Die modulare Bauweise ermöglicht es, Zukunftstechnologien zu integrieren, an denen auch im Forschungszentrum Jülich intensiv geforscht wird: Dazu gehören beispielsweise Quantencomputermodule oder neuromorphe Module, die nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns arbeiten.
