Supercomputer

Als Supercomputer oder Superrechner werden die schnellsten Rechner ihrer Zeit bezeichnet. Dabei ist es unerheblich, auf welcher Bauweise der Rechner beruht. Ein typisches Merkmal eines modernen Supercomputers ist seine große Anzahl an Prozessoren, die auf gemeinsame Peripheriegeräte und einen teilweise gemeinsamen Hauptspeicher zugreifen können. Supercomputer werden häufig für Computersimulationen im Bereich des Hochleistungsrechnens eingesetzt.

Aufbau

Da sich nicht beliebig schnelle Prozessoren bauen lassen, sind alle Hochleistungsrechner Parallelrechner. Ein Parallelrechner ist ein Computer, in dem Operationen gleichzeitig auf mehrere CPUs verteilt werden, um die Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen. Für die optimale Nutzung eines Supercomputers muss die Programmierung deshalb möglichst genau auf die einzelnen, parallel arbeitenden Prozessoren abgestimmt werden.

Supercomputer sind (wie auch heutzutage jeder handelsübliche Computer, im unteren Preissegment) Vektorrechner. Dominierend sind x86-64 von Intel (Xeon) und AMD (Opteron), IBM BlueGene/Q und Sparc64.

Ursprünglich wurde die herausragende Rechenleistung durch maximale Ausnutzung der verfügbaren Technik erzielt, indem Konstruktionen gewählt wurden, die für größere Serienproduktion zu teuer waren (z. B. Flüssigkeitskühlung, exotische Bauelemente und Materialien, kompakter Aufbau für kurze Signalwege), die Zahl der Prozessoren war eher gering. Seit geraumer Zeit etablieren sich vermehrt sogenannte Cluster, bei denen eine große Anzahl von (meist preiswerten) Einzelrechnern zu einem großen Rechner vernetzt werden. Im Vergleich zu einem Vektorrechner besitzen die Knoten in einem Cluster eigene Peripherie und ausschließlich einen eigenen, lokalen Hauptspeicher. Cluster verwenden Standardkomponenten, deshalb bieten sie zunächst Kostenvorteile gegenüber Vektorrechnern. Sie erfordern aber einen weit höheren Programmieraufwand. Es ist abzuwägen, ob die eingesetzten Programme sich dafür eignen, auf viele Prozessoren verteilt zu werden. Verwendete Programmiersprachen sind unter anderem Fortran und C.

Eng verbunden mit dem Begriff Supercomputer ist die Firma Cray. Sie ist benannt nach ihrem Gründer Seymour Cray und stellte ihren ersten Supercomputer in den 1970er Jahren her. Der erste offiziell installierte Supercomputer Cray-1 schaffte 1976 130 MegaFLOPS. Zum Vergleich: eine normale CPU von 2008 (Intel Core i7-965 3,2 GHz, 4 Kerne) schafft 33.000 MegaFLOPS, eine aktuelle Highendconsumergrafikkarte von 2013 (Geforce GTX Titan) theoretische 4.500.000 MegaFLOPS.<ref>Test: Intel Core i7 mit Nehalem-Quad-Core tecchannel.de</ref>

Einsatzzweck

Die Herstellungskosten eines Supercomputers aus der TOP10 bewegen sich derzeit in einem sehr hohen zweistelligen, oftmals bereits dreistelligen Euro-Millionenbetrag.

Die heutigen Supercomputer werden überwiegend zu Simulationszwecken eingesetzt. Je realitätsnäher eine Simulation komplexer Zusammenhänge wird, desto mehr Rechenleistung wird in der Regel benötigt. Ein Vorteil der Supercomputer ist, dass sie durch ihre extrem schnelle und damit große Rechenleistung immer mehr Interdependenzen berücksichtigen können. Dies erlaubt das Einbeziehen weiterreichender, oftmals auch unscheinbarer Neben- oder Randbedingungen zur eigentlichen Simulation und gewährleistet dadurch ein immer aussagekräftigeres Gesamtergebnis.

Die derzeitigen Haupteinsatzgebiete der Supercomputer umfassen dabei die Bereiche Biologie, Chemie, Geologie, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Wettervorhersage, Klimaforschung, Militär und Physik.

Im militärischen Bereich haben Supercomputer es z. B. ermöglicht, neue Atombombenentwicklungen durch Simulation, ohne Stützdaten durch weitere unterirdische Atombombenversuche, durchzuführen. Die Bereiche kennzeichnen sich dadurch, dass es sich um sehr komplexe Systeme bzw. Teilsysteme handelt, die in weitreichendem Maße miteinander verknüpft sind. So haben Veränderungen in dem einen Teilsystem meist mehr oder minder starke Auswirkungen auf benachbarte oder angeschlossene Systeme. Durch den Einsatz von Supercomputern wird es immer leichter möglich, viele solcher Konsequenzen zu berücksichtigen oder sogar zu prognostizieren, wodurch bereits weit im Vorfeld etwaige Gegenmaßnahmen getroffen werden könnten. Dies gilt z. B. bei Simulationen zum Klimawandel, der Vorhersagen von Erdbeben oder Vulkanausbrüchen sowie in der Medizin bei der Simulation neuer Wirkstoffe auf den Organismus. Solche Simulationen sind logischerweise, ganz unabhängig von der Rechenleistung, nur so genau, wie es die programmierten Parameter bzw. Modelle zur Berechnung zulassen. Die enormen Investitionssummen in die stetige Steigerung der FLOPS und damit die Entwicklung von immer schnelleren Supercomputern werden vor allem mit den Nutzenvorteilen und dem eventuellen „Wissensvorsprung“ für die Menschheit gerechtfertigt, weniger aus den Aspekten des allgemeinen technischen Fortschritts.

Betriebssysteme

Da Linux sehr flexibel angepasst und optimiert werden kann, hat es sich auch bei Supercomputern stark verbreitet. In der TOP500-Liste der schnellsten Computersysteme (Stand Juni 2012) werden insgesamt 462 ausschließlich unter Linux betriebene Systeme und 11 teilweise (CNK/SLES 9) unter Linux betriebene Systeme aufgelistet. Damit laufen 92,4 % der Systeme vollständig und 94,6 % zumindest teilweise unter Linux. Fast alle anderen Systeme werden unter Unix oder Unix-artigen Systemen betrieben. Der im Desktop-Bereich größte Konkurrent Microsoft Windows spielt im Bereich der Höchstleistungsrechner mit 2 Systemen (Platz 94 und 156) kaum eine Rolle (0,4 %). Im Juni 2011 waren es noch 4 Systeme (darunter Platz 40), die unter Windows betrieben wurden.

Ausgewählte Superrechner

Aktuelle Superrechner

Die schnellsten Superrechner nach Leistung werden heutzutage halbjährlich in der TOP500-Liste aufgeführt. Als Bewertungsgrundlage dient der Linpack-Benchmark. Die schnellsten Superrechner nach Energieeffizienz bzw. MFLOPS/W werden seit November 2007 in der Green500-Liste geführt.<ref>The Green 500 List</ref>

Diese Green500-Liste vom November 2014 weist länderweise gemittelte Effizienzen von 1895 MFLOPS/W (Italien) bis hinunter zu 168 MFLOPS/W (Malaysia) auf.

Ausgewählte aktuelle Superrechner (weltweit)

Ausgewählte aktuelle Superrechner (deutschlandweit)

Die geschichtlich Schnellsten ihrer Zeit

Nachfolgende Tabelle listet einige der schnellsten Superrechner ihrer jeweiligen Zeit auf:

Diese Grafik macht das nochmal sehr deutlich (bitte die logarithmische y-Achse beachten).

Sonstige Leistungen

Meilensteine

• 1997: Deep Blue 2 (Hochleistungsrechner von IBM) schlägt als erster Computer einen Schachweltmeister in einem offiziellen Zweikampf.
• 2002: Yasumasa Kanada bestimmt die Kreiszahl Pi mit einem Hitachi SR8000 der Universität Tokio auf 1,24 Billionen Stellen genau.
• 2007: Intels Desktopprozessor Core 2 Quad Q6600 schafft ca. 38,40 GFLOPS und hat damit Supercomputerniveau der frühen 1990er Jahre.<ref>intel.com</ref>
• 2014: NVIDIAs GPU-Prozessor Tesla K80 schafft ca. 8,7 TeraFLOPS und hat damit Supercomputerniveau der frühen 2000er Jahre. Er schlägt den Supercomputer des Jahres 2000, den IBM ASCI White, der damals eine Leistung von 7,226 TeraFLOPS bot.<ref>computerbase.de</ref>

Vergleiche

• Die über 1.000.000 aktiven Rechner der Berkeley Open Infrastructure for Network Computing erbringen derzeit (Stand: Februar 2014) eine Spitzenrechenleistung zwischen 8 und 21 PetaFLOPS, die je nach Tag schwanken kann.<ref>Host-Übersicht auf boincstats.com</ref><ref>Übersicht BOINC-Leistung auf boincstats.com</ref><ref>Übersicht BOINC-Leistung auf allprojectstats.com</ref>
• Sämtliche Berechnungen aller Computer weltweit von 1960 bis 1970 könnte der Earth Simulator in etwa 35 Minuten durchführen.
• Wenn jeder der rund 7 Milliarden Menschen auf der Welt mit einem Taschenrechner ohne jede Unterbrechung in jeder Sekunde eine Rechnung absolvierte, müsste die gesamte Menschheit 538 Jahre arbeiten, um das zu erledigen, was der Tianhe-2 in einer Stunde bewältigen könnte.
• Mit seiner Performance könnte der K computer die Meter eines Lichtjahres binnen etwa einer Sekunde „zählen“.

Korrelatoren im Vergleich

• Der Korrelator des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) führt derzeit (Dezember 2012) 17 PetaFLOPS aus.<ref>Powerful Supercomputer Makes ALMA a Telescope</ref><ref>Höchstgelegener Supercomputer der Welt gleicht Astronomiedaten ab. Heise online</ref>
• Die Rechenleistung des WIDAR Korrelator am Expanded Very Large Arrays (EVLA) ist (Juni 2010) mit 40 PetaFLOPS angegeben.<ref name="RupenCorrelator">Cross-Correlators & New Correlators – Implementation & choice of architecture. (PDF; 9,4 MB) National Radio Astronomy Observatory, S. 27</ref><ref>The Expanded Very Large Array Project – The ‚WIDAR‘ Correlator. (PDF; 13,2 MB) National Radio Astronomy Observatory, S. 10</ref>
• Der geplante Korrelator des Square Kilometre Array (SKA) (Bauzeit 2016 bis 2023) soll 4 ExaFLOPS (4000 PetaFLOPS) (Informationsstand Juni 2010) ausführen können.<ref name="RupenCorrelator" />

Siehe auch

• Großrechner

Literatur

•  Christoph Pöppe: Supercomputing: Rekorde; Innovation; Perspektive. In: Spektrum-d.-Wiss.. Nr. Nr. 2, Dossier, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-938639-52-8.
•  Shlomi Dolev: Optical supercomputing. Springer, Berlin 2008, ISBN 3-540-85672-2.
•  William J. Kaufmann, et al.: Supercomputing and the transformation of science. Scientific American Lib., New York 1993, ISBN 0-7167-5038-4.
•  Paul B. Schneck: Supercomputer architecture. Kluwer, Boston 1987, ISBN 0-89838-238-6.
•  Aad J. van der Steen: Evaluating supercomputers – strategies for exploiting, evaluating and benchmarking computers with advanced architectures. Chapman and Hall, London 1990, ISBN 0-412-37860-4.

Weblinks

• TOP500 Liste der leistungsstärksten Supercomputer (englisch)
• TOP500 Liste der energieeffizientesten Supercomputer (englisch)
• The International Conference for High Performance Computing and Communications (englisch)
• The International Supercomputing Conference (englisch)

Einzelnachweise

<references />ml:സൂപ്പര്‍ കമ്പ്യൂട്ടര്‍