13.02.13

Rekord-Rechner

Supercomputer JuQueen verarbeitet Daten per Licht

Der neue Hochleistungscomputer JuQueen schafft fast sechs Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde und tauscht Daten per Licht aus. Eine der Missionen: Sie soll das menschliche Gehirn simulieren.

Von Norbert Lossau

Im Forschungszentrum Jülich wird Europas leistungsfähigster Supercomputer eingeweiht. Der JuQueen genannte Rechner bietet den Wissenschaftlern eine Rechenleistung von 5,9 Petaflops, also rund sechs Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde.

Diese gewaltige Rechenkraft wird zahlreichen Forschungsprojekten zugutekommen. Quantenphysiker, Klimawissenschaftler, Material- und Energieforscher werden von JuQueen ebenso profitieren wie Hirnforscher oder Ingenieure, die zum Beispiel leisere Turbinen für Flugzeuge entwickeln wollen.

Superrechner JuQueen wird auch eine wichtige Rolle im "Human Brain Project" spielen. Forscher aus 23 Ländern haben sich die ehrgeizige Aufgabe gesetzt, das menschliche Gehirn durch einen Computer zu simulieren. Für dieses Schlüsselprojekt hat jüngst die Europäische Union Fördermittel in Höhe von einer halben Milliarde Euro für einen Zeitraum von zehn Jahren in Aussicht gestellt.

Die elektrische Leistungsaufnahme der JuQueen, die auf der Blue Gene/Q-Technik von IBM basiert, ist mit rund zwei Megawatt beachtlich. Die Prozessoren werden direkt mit Wasser gekühlt, das mit einer Temperatur von 18 Grad Celsius in den Computer hinein- und mit 27 Grad wieder hinausfließt.

Doch tatsächlich ist dieser Rechner "besonders energieeffizient", betont Professor Thomas Lippert, der das Jülicher Supercomputer Centre leitet. Pro eingesetztes Watt liefert der Rechner zwei Milliarden Rechenoperationen in der Sekunde. Im JuQueen kommen spezielle Prozessoren zum Einsatz, die zum einen langsamer getaktet sind, dafür aber eine größere Zahl von Rechenkernen, sogenannter Cores, enthalten.

In jedem Prozessorchip befinden sich 16 Cores, und je 32 Prozessoren sind auf einer Platine, dem sogenannten Board, verschaltet. Sie sind ringförmig über Kupferleitungen miteinander verbunden. Die Boards kommunizieren untereinander indes über optische Fasern.

Daten werden per Licht ausgetauscht

Sie tauschen also Daten per Licht aus. Das ist wesentlich energieeffizienter als die klassische Datenübertragung per Kupfer. Insgesamt gibt es in JuQueen 458.752 Cores, und das Kommunikationsnetz bildet gleichsam einen fünfdimensionalen Würfel.

Der Energieverbrauch eines Supercomputers wächst stärker als das Quadrat der Prozessorleistung. Eine doppelt so hohe Taktrate führt also zu mehr als dem vierfachen Energieverbrauch. Da lohnt es sich, mehr Rechenleistung nicht unbedingt über eine Steigerung der Taktrate zu gewinnen, sondern durch eine Erhöhung der parallel arbeitenden Recheneinheiten (Cores). "Insgesamt ist JuQueen um einen Faktor 4 energieeffizienter als vergleichbare Rechner der vorherigen Generation", erläutert Lippert.

Doch die großen Herausforderungen für die Betreiber von Rechenzentren kommen erst noch. Der Bedarf an Rechenleistung wird in den kommenden Jahren weltweit dramatisch steigen, und zwar nicht nur in der Wissenschaft, sondern insbesondere auch bei den diversen Dienstleistungen rund um das Internet.

Jede Anfrage bei Google, jede Twitter-Botschaft und jedes Agieren in einem sozialen Netzwerk setzt Rechenleistung und Speicherplatz in großen Rechenzentren voraus. Schon heute haben die größten Supercomputer eine Leistungsaufnahme von 200 Megawatt und müssen deshalb an Flüssen gebaut werden, damit die riesige Abwärme der Rechner abgeführt werden kann.

Enormer Energieverbrauch

Experten des Freiburger Öko-Instituts haben errechnet, dass das Internet allein durch seinen Stromverbrauch mittlerweile ebenso viel Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzt wie der gesamte Flugverkehr auf diesem Planeten. Dabei werden beispielsweise für eine einzige Google-Anfrage im Durchschnitt nur 0,0003 Kilowattstunden benötigt. Mit dieser Energiemenge könnte man eine Energiesparlampe gerade mal eine Minute lang betreiben. Doch die große Menge der Internetaktivitäten macht es eben.

"In den Industrienationen werden schon heute rund fünf Prozent der gesamten Stromproduktion für die Rechenleistung von Computern und deren Netzwerken benötigt", sagt Professor Dieter Bimberg, Direktor des Zentrums für Nanofotonik an der TU Berlin. Und der Bedarf an Rechenleistung wird in den kommenden Jahren dramatisch wachsen.

Ungefähr ab 2020 werden die Supercomputer der nächsten Generation eine Rechenleistung im Exaflopbereich bieten – das entspricht dann 10¹⁸ Rechenoperationen in der Sekunde. Bimberg rechnet vor, dass – basierend auf dem heutigen Stand der Technik – diese Computer eine Leistungsaufnahme von mehr als einem Gigawatt haben würden. Das entspricht dem Output eines mittleren Kernkraftwerks.

Diesen absurd hohen Energieverbrauch wollen die Forscher durch die Entwicklung neuer technologischer Konzepte möglichst vermeiden. Dabei sei weniger der Energiebedarf der Prozessoren das Problem, erklärt Bimberg, sondern vielmehr der Energieaufwand für die Kommunikation der verschiedenen Prozessoren und Speicher untereinander sowie mit der Außenwelt.

Rechenleistung verdoppelt sich alle drei Jahre

Das weitere Verkleinern der Transistoren wird vorerst mit der gleichen Rate weitergehen, wie man es seit Jahren gewohnt ist. In der IT-Branche ist das allgemein als Mooresches Gesetz bekannt. Es besagt, dass sich etwa alle drei Jahre die Rechenleistung der Computer verdoppelt.

"Das Verarbeiten eines Bits in einem Prozessor benötigt eine Energie von weniger als einem billionstel Joule", erklärt Bimberg, "doch die Übertragung eines Bits etwa vom Prozessor in einen Speicher oder zu einem anderen Prozessor kostet zehn billionstel Joule. Es wird also entscheidend auf eine Verbesserung der Energieeffizienz beim Datenaustausch innerhalb eines Supercomputers ankommen." Die Energieeinheit Joule ist gleichbedeutend mit einer Wattsekunde.

Bis 2005 waren noch alle Computer intern elektrisch verdrahtet. Für Bimberg markiert dieses Jahr eine Zeitenwende. Seitdem haben die 1000 Mal energieeffizienteren optischen Datenverbindungen Eingang in die Großrechner gefunden.

Doch weil mit steigender Rechenleistung der energetische Aufwand für den internen Datenaustausch noch sehr viel stärker wachsen wird, würde im Jahr 2020 rund 80 Prozent des Energieverbrauchs eines Superrechners auf die optischen Verbindungen entfallen – es sei denn, man entwickelt neue, noch weit effizientere Technologien. Genau das versucht das Forscherteam von Professor Bimberg.

Freistrahloptiken sollen Energie sparen

Einen Teil der Lösung des Energieproblems bei den Chip-zu-Chip-Verbindungen in Superrechnern will der TU-Forscher durch sogenannte Freistrahloptiken erreichen. Damit ist gemeint, dass direkt auf den Prozessorchips winzige Metall-Halbleiter-Laser mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer integriert werden.

Diese Laser, von denen sich auf jedem Chip viele in einem Array anbringen lassen, strahlen ihr Licht frei in den Raum. Es kann dann von Sensoren auf den gegenüberliegenden Bauteilen aufgefangen werden. Natürlich muss dazu "Sichtkontakt" bestehen.

Die Laser dieser Arrays würden auf vielen verschiedenen Wellenlängen arbeiten und damit Daten also parallel übertragen können. "Je Wellenlänge ist die Übertragung von einer Billion Bit pro Sekunde mit dieser Technik locker möglich", sagt Bimberg.

Und wenn sich der Energiebedarf noch um einen Faktor zehn senken lässt, dann könnte man wohl die nächste Generation von Supercomputern mit gerade noch vertretbaren 20 bis 25 Megawatt elektrischer Leistung betreiben. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Forschungs- und Entwicklungsweg.

Immer größere Anforderungen an die Rechenleistung

Wie groß die Probleme in vielen großen Rechenzentren bereits heute sind, verdeutlicht eine Studie, die kürzlich von der US-Firma Computer Associates vorgestellt wurde (www.ca.com/dcim-survey). Von den befragten Managern waren rund 84 Prozent der Ansicht, dass ihre Rechenzentren "underperformen". 27 Prozent von ihnen sagten, dass sie mit Energieproblemen zu kämpfen hätten, 27 Prozent nannten Platzprobleme und 25 Prozent Probleme mit der Kühlung. Insgesamt 57 Prozent bezeichneten ihre Rechenzentren als "ineffizient" oder nur "moderat effizient".

Angesichts der mittelfristig wohl eher steigenden Energiekosten könnte bei der nächsten Generation von Supercomputern die Frage der Effizienz zur Schicksalsfrage für eine vom Internet abhängigen Welt werden. Gelänge es trotz neuer Technologien nicht, die Energiekosten in etwa auf dem heutigen Niveau zu stabilisieren, dann könnten plötzlich zahlreiche Business-Modelle ins Wanken geraten.

Man müsste sich dann möglicherweise eingestehen, dass beispielsweise die Nutzung sozialer Netze, das Streaming von Filmen oder auch nur Suchanfragen im Web schlichtweg Energiekosten verursachen. Ab einem gewissen Punkt ließe es sich dann wohl nicht vermeiden, diese Kosten auf die Nutzer umzulegen.