Supercomputer

Als Supercomputer bzw. Superrechner werden Hochleistungsrechner bezeichnet, die zum Zeitpunkt ihrer Einführung im obersten realisierbaren Leistungsbereich operieren. Ein typisches Merkmal eines Supercomputers ist seine große Anzahl an Prozessoren, die auf einen sehr großen Hauptspeicher zugreifen.

Seit geraumer Zeit etablieren sich vermehrt sog. Cluster, bei denen eine große Anzahl von (meist preiswerten) Einzelrechnern zu einem großen Rechner vernetzt werden.

Eng verbunden mit dem Begriff Supercomputer ist die Firma Cray. Sie ist benannt nach ihrem Gründer Seymour Cray und stellte die ersten Supercomputer in den 1970er Jahren her. Der erste offiziell installierte Supercomputer Cray-1 schaffte 1976 130 MegaFLOPS. Zum Vergleich, ein normaler PC kann heutzutage mehrere GigaFLOPS ausführen.

Die schnellsten Supercomputer werden halbjährlich in der Top-500 Liste aufgeführt. Als Bewertungsgrundlage dient der Linpack-Benchmark.

Einsatzzweck von Supercomputern

Die Herstellungskosten eines Supercomputers aus der TOP10 bewegen sich derzeit in einem sehr hohen zweistelligen, oftmals bereits dreistelligen Euro-Millionenbetrag. Nach oben sind dabei keine Grenzen gesetzt. Für den in Planung stehenden neuen Supercomputer im Bereich um 10 PFLOPS werden derzeit fast 700 Millionen Euro veranschlagt. Bei diesen enormen Investitionssummen stellt sich zwangsläufig die Frage, wofür diese sehr teuren Geräte benötigt werden und ob sich die Investition in die Entwicklung eines solchen Gerätes, außer aus reinen Prestigegründen, rentiert.

Die heutigen Supercomputer werden überwiegend zu Simulationszwecken eingesetzt. Je realitätsnäher eine Simulation komplexer Zusammenhänge wird, desto mehr Rechenleistung wird in der Regel benötigt. Der Vorteil der Supercomputer ist außerdem, dass sie durch ihre extrem schnelle und große Rechenleistung immer mehr Interdependenzen berücksichtigen können. Dies erlaubt also das Einbeziehen immer weiterreichender, oftmals auch unscheinbarer Neben- oder Randbedingungnen 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, Wetter- sowie Klimaforschung, Militär und Physik.

Bis auf das Militär, welches hauptsächlich militärische Planspiele betreibt, kennzeichnen sich die Bereiche 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. Die enormen Investitionsummen in die stetige Steigerung der FLOPS und damit die Entwicklung von immer schnelleren Supercomputern werden vor allem mit den Nutzenvorteilen und dem eventuellen „Wissenvorsprung“ für die Menschheit gerechtfertigt, weniger aus den Aspekten des allgemeinen technischen Fortschritts.

Ausgewählte Supercomputer (weltweit)

Name	Standort	TeraFLOPS	Konfiguration	Zweck
BlueGene/L	Lawrence Livermore National Laboratory Livermore (USA)	280,6	131.072 PowerPC440-Prozessoren 700 MHz, 32.768 GB RAM	Physikalische Simulationen
Blue Gene Watson	IBM Thomas J. Watson Research Center (USA)	91,29	40.960 Prozessoren	Forschungsabteilung von IBM, aber auch Anwendungen aus Wissenschaft und Wirtschaft
ASCI Purple	Lawrence Livermore National Laboratory Livermore (USA)	75,76	12.208 Power5 CPUs, 48.832 GB RAM	Physikalische Simulationen (z. B. Atomwaffensimulationen)
Columbia	NASA Ames Research Center (Silicon Valley, Kalifornien, USA)	51,87	10.160 Intel Itanium 2 Prozessoren (Madison Kern)	Klimamodellierung, astrophysikalische Simulationen
JUBL (Jülicher BlueGene/L)	Forschungszentrum Jülich (Deutschland)	37,33	16.384 PowerPC440-Prozessoren 700 MHz, 4096 GB RAM	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
Earth Simulator	Yokohama (Japan)	35,86	5120 500 MHz NEC CPUs, 10 TB RAM	Klimamodellierung
MareNostrum	Barcelona (Spanien)	27,91	4812 PowerPC970 2,2 GHz	Klima- und Genforschung, Pharmazie
HLRB II	LRZ Garching (Deutschland)	26,2	4096 CPUs 1,6 GHz Intel Itanium2 Madison 9M, 17,5 TB RAM	Naturwissenschaften, Astrophysik und Materialforschung
ASCI Q	Los Alamos (USA)	13,88	8192 Alpha-CPUs, 12 TB RAM	Simulation
System X oder alt: Terascale Cluster	Virginia (USA)	12,25	1100 Dual 2,3 GHz Apple Xserve G5 (IBM PPC970FX CPU), 4,4 TB RAM	Quantenchemie, Simulationen, Nanoelektronik und weitere
NEC SX8/576M72	Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS)	8,92 (nur Vektorteil)	576 CPUs 2 GHz SX-8, 9216 GB RAM	Ingenieurwissenschaftliche Anwendungen, Physik, Chemie, Lebenswissenschaften, Nutzung durch Industrie
MCR Linux Cluster	Livermore (USA)	7,63	2304 Intel 2,4 GHz Xeon CPUs, 4,6 TB RAM	Simulation von Nuklearwaffen

Ausgewählte Supercomputer (deutschlandweit)

Name	Standort	TeraFLOPS	Konfiguration	Zweck
JUBL (Jülicher BlueGene/L)	Forschungszentrum Jülich	37,33	16.384 PowerPC440-Prozessoren 700 MHz, 4096 GB RAM	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
HLRB II	LRZ Garching	26,2	4096 CPUs 1,6 GHz Intel Itanium2 Madison 9M, 17,5 TB RAM	Naturwissenschaften, Astrophysik und Materialforschung
HP XC4000	Höchstleistungsrechner-Kompetenzzentrum Baden-Württemberg (hkz-bw), Karlsruhe	über 15	AMD Opteron, 12 TB RAM	Physikalische Simulationen
NEC SX8/576M72	Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS)	8,92 (nur Vektorteil)	576 CPUs 2 GHz SX-8, 9216 GB RAM	Ingenieurwissenschaftliche Anwendungen, Physik, Chemie, Lebenswissenschaften, Nutzung durch Industrie
JUMP (IBM pSeries 690-Knoten)	Forschungszentrum Jülich	5,57	1312 CPUs 1,7 GHz Power4+, 5000 GB RAM	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
IBM eSeries p5 575-Knoten	Max-Planck-Gesellschaft MPI/IPP Garching	4,56	688 CPUs 1,7 GHz Power5, 2816 GB RAM	Physikalische Simulationen, z. B. die Millennium-Simulation
IBM eSeries p5 575-Knoten	Deutscher Wetterdienst	2,75	416 CPUs 1,9 GHz Power5
ARMINIUS	Universität Paderborn	2,6	400 CPUs 64-bit INTEL Xeon
ALiCEnext	Bergische Universität Wuppertal	2,08	1024 CPUs 1,8 GHz Opteron	Wissenschaftliche Anwendungen
HHLR (Hessischer Hochleistungsrechner)	Technische Universität Darmstadt	2,05 (siehe Diskussion)	584 CPUs 1,5 – 1,9 GHz Power4 und Power5	Wissenschaftliche Anwendungen
Hitachi SR8000-F1/168	LRZ Garching	1,65	1512 CPUs, 1376 GB RAM	vektorisierbare Programme, 2006 stillgelegt
NEC SX-6	Deutsches Klimarechenzentrum	1,5	192 Vektor-CPUs, 1,5 TB RAM	Klimamodellierung
Beowulf-Cluster CLIC	TU Chemnitz	0,2216	528 Pentium-III-Prozessoren (800 Mhz), 264 GB SDRAM	im Wesentlichen Forschung auf dem Gebiet der Physik an der TU-Chemnitz
CHiC Cluster (IBM x3455)	TU Chemnitz	noch im Testbetrieb	530 Dual-CPU, Dual-Core 64 bit AMD Opteron 2218 (2600 MHz)	Modellierung und numerische Simulation
Kepler-Cluster	Tübingen	0,096	196 Pentium-III-Prozessoren mit 650 MHz, 100 GB RAM	Astrophysik und Strömungsmechanik, Entwicklung stabiler numerischer Verfahren

Die schnellsten Supercomputer ihrer Zeit

Jahr	Supercomputer	Spitzengeschwindigkeit	Ort
1906	Babbage Analytical Engine, Mill	0,3 OPS	RW Munro, Woodford Green, Essex, England
1928	IBM 301[1]	1,7 OPS	verschiedene Orte weltweit
1931	IBM Columbia Difference Tabulator[2]	2,5 OPS	Columbia University
1942	Atanasoff-Berry Computer (ABC)	30 OPS	Iowa State University, Ames (Iowa), USA
1942	TRE Heath Robinson	200 OPS	Bletchley Park, Milton Keynes, England
1943	Flowers Colossus	5 kOPS	Bletchley Park, Milton Keynes, England
1946	UPenn ENIAC (vor den Modifikationen von 1948+)	50 kOPS	Aberdeen Proving Ground, Maryland, USA
1954	IBM NORC	67 kOPS	U.S. Naval Proving Ground, Dahlgren, Virginia, USA
1956	MIT TX-0	83 kOPS	Massachusetts Inst. of Technology, Lexington, Massachusetts, USA
1958	IBM SAGE	400 kOPS	25 U.S. Air Force-Stützpunkte in den USA und ein Ort in Kanada (52 Computer)
1960	UNIVAC LARC	500 kFLOPS	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
1961	IBM 7030 "Stretch"	1,2 MFLOPS	Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA
1964	CDC 6600	3 MFLOPS	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
1969	CDC 7600	36 MFLOPS
1974	CDC STAR-100	100 MFLOPS
1975	Burroughs ILLIAC IV	150 MFLOPS	NASA Ames Research Center, Kalifornien, USA
1976	Cray-1	250 MFLOPS	Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA (weltweit über 80 Mal verkauft)
1981	CDC Cyber 205	400 MFLOPS	verschiedene Orte weltweit
1983	Cray X-MP/4	941 MFLOPS	Los Alamos National Laboratory; Lawrence Livermore National Laboratory; Battelle; Boeing
1984	M-13	2,4 GFLOPS	Scientific Research Institute of Computer Complexes, Moskau, UdSSR
1985	Cray-2/8	3,9 GFLOPS	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
1989	ETA10-G/8	10,3 GFLOPS	Florida State University, Florida, USA
1990	NEC SX-3/44R	23,2 GFLOPS	NEC Fuchu Plant, Fuchu, Japan
1993	Thinking Machines CM-5/1024	65,5 GFLOPS	Los Alamos National Laboratory; National Security Agency
	Fujitsu Numerical Wind Tunnel	124,50 GFLOPS	National Aerospace Laboratory, Tokio, Japan
	Intel Paragon XP/S 140	143,40 GFLOPS	Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
1994	Fujitsu Numerical Wind Tunnel	170,40 GFLOPS	National Aerospace Laboratory, Tokio, Japan
1996	Hitachi SR2201/1024	220,4 GFLOPS	Universität Tokio, Japan
1996	Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048	368,2 GFLOPS	Center for Computational Physics, University of Tsukuba, Tsukuba, Japan
1997	Intel ASCI Red/9152	1,338 TFLOPS	Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
1999	Intel ASCI Red/9632	2,3796 TFLOPS	Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
2000	IBM ASCI White	7,226 TFLOPS	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
2002	NEC Earth Simulator	35,86 TFLOPS	Earth Simulator Center, Yokohama-shi, Japan
2004	SGI Project Columbia	42,7 TFLOPS	Project Columbia, NASA Advanced Supercomputing Facility, USA
2004	IBM BlueGene/L	70,72 TFLOPS	U.S. Department of Energy/IBM, USA
2005		136,8 TFLOPS	U.S. Department of Energy/U.S. National Nuclear Security Administration, Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA

Leistungen von Supercomputern

(im weiteren Sinne)

zum Vergleich: sämtliche Berechnungen aller Computer weltweit von 1960 bis 1970 könnte der Earth Simulator in etwa 35 Minuten durchführen.
in einem angenommenen Balkendiagramm, in welchem 1 Millimeter Balkenlänge für 100 MegaFLOPS stehen, wäre der entsprechende Balken für 100 TeraFLOPS 1 Kilometer groß.
Deep Blue 2 (Hochleistungsrechner von IBM) schlägt als erster Computer einen Schachweltmeister in einem offiziellen Zweikampf.
Yasumasa Kanada bestimmt die Kreiszahl Pi mit einem Hitachi SR8000 der Uni Tokio auf 1,24 Billionen Stellen genau.

Weblinks

Commons: Supercomputer – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien