Supercomputer
Ein Supercomputer oder Superrechner ist ein Hochleistungsrechner, der zum Zeitpunkt seiner Einführung im obersten realisierbaren Leistungsbereich arbeitet. 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.
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 werden heute zumeist als Vektorrechner oder Skalarrechner konzipiert. Sie basieren auf unterschiedlichen Prozessorarchitekturen. Vektorprozessoren (auch Vektorrechner oder Array-Prozessoren genannt) führen eine Berechnung gleichzeitig auf vielen Daten (in einem Vektor bzw. Array) aus. Skalarprozessoren können dagegen nur ein Operandenpaar pro Befehl bearbeiten. Skalarrechner basieren daher oft auf Tausenden von Standardprozessoren, die miteinander vernetzt sind (Computercluster).
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 so genannte 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 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.)
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 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, Wetter- sowie 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. (Jedoch sind logischerweise solche Simulationen nur so genau, wie es die programmierten Parameter bzw. Modelle zur Berechnung zulassen.) 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 „Wissensvorsprung“ für die Menschheit gerechtfertigt, weniger aus den Aspekten des allgemeinen technischen Fortschritts.
Ausgewählte Supercomputer
Aktuelle Supercomputer
Die schnellsten Supercomputer nach Leistung werden heutzutage halbjährlich in der Top-500 Liste aufgeführt. Als Bewertungsgrundlage dient der Linpack-Benchmark.
Die schnellsten Supercomputer auch nach Energieeffizienz bzw. MFLOPS/W werden seit November 2007 in der Green500-Liste geführt. Hierbei führen derzeit Server mit Blue-Gene/P-Chips die Liste an, bei denen ein einziger Blue-Gene/P-Chip über jeweils vier niederfrequente (850 MHz) PowerPC-450-Prozessoren verfügt. [1]
Ausgewählte aktuelle Supercomputer (weltweit)
| Name | Standort | TeraFLOPS | Konfiguration | Zweck |
|---|---|---|---|---|
| Cray XT5 (Jaguar) | Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge nahe Knoxville, Tennessee, USA) | 1.759,00 | 37.538 AMD Hexa-Core-Prozessoren | Entwicklung neuer Energiequellen, Technologien und Materialien |
| Dawning Nebulae | National Supercomputing Centre, (Shenzhen, China) | 1.271,00 | Hybridsystem aus 55.680 Intel Xeon-Prozessoren (2,66 GHz) und 64.960 NVidia Tesla GPU (1,15 GHz) | Meteorologie, Finanzwirtschaft u.a. |
| IBM Roadrunner | Los Alamos National Laboratory (New Mexico, USA) | 1.105,00 | 6.000 AMD Dual-Core-Prozessoren, 13.000 IBM Cell-Prozessoren | Physikalische Simulationen (z. B. Atomwaffensimulationen) |
| JUGENE | Forschungszentrum Jülich (Deutschland) | 825,50 | 294.912 PowerPC 450 Prozessoren 850 MHz (IBM Blue Gene/P) | Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik |
| SGI-Altix | NASA (USA) | 487,00 | 51.200 QC-Xeon, 3 GHz | Weltraumforschung |
| BlueGene/L | Lawrence Livermore National Laboratory Livermore (USA) | 478,20 | 212.992 PowerPC 440 Prozessoren 700 MHz , 73.728 GB RAM | Physikalische Simulationen |
| Blue Gene Watson | IBM Thomas J. Watson Research Center (USA) | 91,29 | 40.960 PowerPC 440 Prozessoren | Forschungsabteilung von IBM, aber auch Anwendungen aus Wissenschaft und Wirtschaft |
| ASC Purple | Lawrence Livermore National Laboratory Livermore (USA) | 75,76 | 12.208 Power5 CPUs, 48.832 GB RAM | Physikalische Simulationen (z. B. Atomwaffensimulationen) |
| MareNostrum | Universitat Politècnica de Catalunya (Spanien) | 63,63 | 10.240 PowerPC 970MP 2,3 GHz | Klima- und Genforschung, Pharmazie |
| Columbia | NASA Ames Research Center (Silicon Valley, Kalifornien, USA) | 51,87 | 10.160 Intel Itanium 2 Prozessoren (Madison Kern) | Klimamodellierung, astrophysikalische Simulationen |
| Albert2 | BMW Sauber F1 Team / Hinwil (Schweiz) | 12,20 | 512 CPU Intel Xeon 5160-Prozessoren (DualCore) 1.024 Kerne;2.048 GB RAM | Computergestützte Strömungssimulation (CFD) |
Ausgewählte aktuelle Supercomputer (deutschlandweit)
| Name | Standort | TeraFLOPS | Konfiguration | TB RAM | Zweck |
|---|---|---|---|---|---|
| JUGENE | Forschungszentrum Jülich | 825,50 | 294.912 PowerPC 450 Prozessoren 850 MHz (IBM Blue Gene/P) | Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik | |
| JUROPA | Forschungszentrum Jülich | 274,80 | 26.304 Intel Core i7 (Nehalem-EP) quad-core, 2.93 GHz Prozessoren | Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik | |
| HLRN-II (SGI Altix ICE/XE) | Zuse-Institut Berlin, Rechenzentrum der Universität Hannover | 250,00 | 21.248 Cores Intel Xeon Harpertown 3,0 GHz und Nehalem-EP 2,93 GHz | 76 |
Physik, Chemie, Umwelt- und Meeresforschung, Ingenieurwissenschaften |
| HLRE 2 | Deutsches Klimarechenzentrum Hamburg | 144,00 | 8064 IBM Power6 dual core CPUs, 3 Petabyte Disk | 20 | Klimamodellierung |
| HPC-FF | Forschungszentrum Jülich | 101,00 | 2160 Intel Core i7 (Nehalem-EP) quad-core, 2.93 GHz Prozessoren | europäische Fusionsforschung | |
| HLRB II | LRZ Garching (Deutschland) | 56,52 | 9.728 CPUs 1,6 GHz Intel Itanium 2 (Montecito Dual Core) | 39 | Naturwissenschaften, Astrophysik und Materialforschung |
| HP XC4000 | Höchstleistungsrechner-Kompetenzzentrum Baden-Württemberg (hkz-bw), Karlsruhe | 15,00 | AMD Opteron | 12 | Physikalische Simulationen |
| SGI Altix 4700 | TU Dresden | 13,10 | 2048 Cores Intel Itanium II Montecito 1,6 GHz | 7 | Naturwissenschaften, Biologie |
| HHLR (Hessischer Hochleistungsrechner) | Technische Universität Darmstadt | 10,80 | 576 IBM Power6-Kerne à 4,7 GHz | Wissenschaftliche Anwendungen | |
| NEC SX8/576M72 | Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) | 8,92 | 576 CPUs 2 GHz SX-8 | 10 | Ingenieurwissenschaftliche Anwendungen, Physik, Chemie, Lebenswissenschaften, Nutzung durch Industrie |
| CHiC Cluster (IBM x3455) | TU Chemnitz | 8,21 | 2152 Cores aus 1076 Dual-Core 64 bit AMD Opteron 2218 (2600 MHz) | Modellierung und numerische Simulation | |
| IBM eSeries p5 575-Knoten | Rechenzentrum Garching (MPG/IPP) | 4,56 | 688 CPUs 1,7 GHz Power5 | 3 | Physikalische Simulationen, z. B. die Millennium-Simulation |
| Sun Fire SMP-Cluster Primer | RWTH Aachen [1] | 3,50 | 480 Ultra Sparc IV, 1,2 GHz (dual core); 288 Ultra Sparc IV, 1,05 GHz (dual core) | 3 | |
| IBM eSeries p5 575-Knoten | Deutscher Wetterdienst | 2,75 | 416 CPUs 1,9 GHz Power5 | ||
| ARMINIUS | Paderborn Center for Parallel Computing, Universität Paderborn | 2,56 | 200 Dual INTEL XEON je 3,2 GHz und 4 GB RAM; 16 Dual AMD Opteron je 2,2 GHz und 8 GB RAM | 1 | |
| ALiCEnext | Bergische Universität Wuppertal | 2,08 | 1024 CPUs 1,8 GHz Opteron | Wissenschaftliche Anwendungen |
Historisch schnellste Supercomputer ihrer Zeit
Nachfolgende Tabelle listet einige der schnellsten Supercomputer ihrer jeweiligen Zeit auf:
| Jahr | Supercomputer | Spitzengeschwindigkeit bis 1959 in OPS ab 1960 in FLOPS |
Ort |
|---|---|---|---|
| 1906 | Babbage Analytical Engine, Mill | 0,3 | RW Munro, Woodford Green, Essex, England |
| 1928 | IBM 301[2] | 1,7 | verschiedene Orte weltweit |
| 1931 | IBM Columbia Difference Tabulator[3] | 2,5 | Columbia University |
| 1942 | Atanasoff-Berry Computer (ABC) | 30,0 | Iowa State University, Ames (Iowa), USA |
| TRE Heath Robinson | 200,0 | Bletchley Park, Milton Keynes, England | |
| 1.000,0 | entspricht 1 kilo-OPS | ||
| 1943 | Flowers Colossus | 5.000,0 | Bletchley Park, Milton Keynes, England |
| 1946 |
UPenn ENIAC (vor den Modifikationen von 1948+) |
50.000,0 | Aberdeen Proving Ground, Maryland, USA |
| 1954 | IBM NORC | 67.000,0 | U.S. Naval Proving Ground, Dahlgren, Virginia, USA |
| 1956 | MIT TX-0 | 83.000,0 | Massachusetts Inst. of Technology, Lexington, Massachusetts, USA |
| 1958 | IBM SAGE | 400.000,0 | 25 U.S. Air Force-Stützpunkte in den USA und ein Ort in Kanada (52 Computer) |
| 1960 | UNIVAC LARC | 500.000,0 | Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA |
| 1.000.000,0 | entspricht 1 MFLOPS, 1 Mega-FLOPS | ||
| 1961 | IBM 7030 "Stretch" | 1.200.000,0 | Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA |
| 1964 | CDC 6600 | 3.000.000,0 | Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA |
| 1969 | CDC 7600 | 36.000.000,0 | |
| 1974 | CDC STAR-100 | 100.000.000,0 | |
| 1975 | Burroughs ILLIAC IV | 150.000.000,0 | NASA Ames Research Center, Kalifornien, USA |
| 1976 | Cray-1 | 250.000.000,0 | Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA (weltweit über 80 Mal verkauft) |
| 1981 | CDC Cyber 205 | 400.000.000,0 | verschiedene Orte weltweit |
| 1983 | Cray X-MP/4 | 941.000.000,0 | Los Alamos National Laboratory; Lawrence Livermore National Laboratory; Battelle; Boeing |
| 1.000.000.000,0 | entspricht 1 GFLOPS, 1 Giga-FLOPS | ||
| 1984 | M-13 | 2.400.000.000,0 | Scientific Research Institute of Computer Complexes, Moskau, UdSSR |
| 1985 | Cray-2/8 | 3.900.000.000,0 | Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA |
| 1989 | ETA10-G/8 | 10.300.000.000,0 | Florida State University, Florida, USA |
| 1990 | NEC SX-3/44R | 23.200.000.000,0 | NEC Fuchu Plant, Fuchū, Japan |
| 1993 | Thinking Machines CM-5/1024 | 65.500.000.000,0 | Los Alamos National Laboratory; National Security Agency |
| Fujitsu Numerical Wind Tunnel | 124.500.000.000,0 | National Aerospace Laboratory, Tokio, Japan | |
| Intel Paragon XP/S 140 | 143.400.000.000,0 | Sandia National Laboratories, New Mexico, USA | |
| 1994 | Fujitsu Numerical Wind Tunnel | 170.400.000.000,0 | National Aerospace Laboratory, Tokio, Japan |
| 1996 | Hitachi SR2201/1024 | 220.400.000.000,0 | Universität Tokio, Japan |
| 1996 | Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048 | 368.200.000.000,0 | Center for Computational Physics, University of Tsukuba, Tsukuba, Japan |
| 1.000.000.000.000,0 | entspricht 1 TFLOPS, 1 Tera-FLOPS | ||
| 1997 | Intel ASCI Red/9152 | 1.338.000.000.000,0 | Sandia National Laboratories, New Mexico, USA |
| 1999 | Intel ASCI Red/9632 | 2.379.600.000.000,0 | |
| 2000 | IBM ASCI White | 7.226.000.000.000,0 | Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA |
| 2002 | NEC Earth Simulator | 35.860.000.000.000,0 | Earth Simulator Center, Yokohama-shi, Japan |
| 2004 | SGI Project Columbia | 42.700.000.000.000,0 | Project Columbia, NASA Advanced Supercomputing Facility, USA |
| IBM BlueGene/L | 70.720.000.000.000,0 | U.S. Department of Energy/IBM, USA | |
| 2005 | IBM BlueGene/L | 136.800.000.000.000,0 | U.S. Department of Energy/U.S. National Nuclear Security Administration, Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA |
| 1.000.000.000.000.000,0 | entspricht 1 PFLOPS, 1 Peta-FLOPS | ||
| 2008 | IBM Roadrunner | 1.105.000.000.000.000,0 | U.S. Department of Energy/U.S. National Nuclear Security Administration, Los Alamos National Laboratory |
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.
- 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 Universität Tokio auf 1,24 Billionen Stellen genau.
- Intels Desktop Prozessor Core 2 Quad Q6600 schafft ca. 38.40 GFLOPS und hat damit Supercomputerniveau der frühen 1990er Jahre.[2]
- Die über 600.000 Computer der Berkeley Open Infrastructure for Network Computing bringen es derzeit (Stand: März 2010) auf eine Leistung von bis zu 6,8 PetaFLOPS, mehr als die dreieinhalbfache Rechenleistung des derzeit schnellsten Supercomputers "Cray XT5 (Jaguar)" und mehr als die sechsfache Rechenleistung des "IBM Roadrunners" [3]
- Wenn jeder der rund 6 Milliarden Menschen auf der Welt mit einem Taschenrechner in jeder Sekunde eine Rechnung absolvierte, müsste die Menschheit 504 Jahre arbeiten, um das zu erledigen, was der IBM Roadrunner an einem Tag bewältigt.
Literatur
- Christoph Pöppe: Supercomputing : Rekorde ; Innovation ; Perspektive. In: Spektrum-d.-Wiss. 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 (in englischer Sprache)
- TOP500 Liste der energieeffizientesten Supercomputer (in englischer Sprache)
- The International Conference for High Performance Computing and Communications (in englischer Sprache)
- The International Supercomputing Conference (in englischer Sprache)
- Chemnitz High-Performance Linux Cluster (CHiC)
- Seiten des Computermuseums München
- 120GB AOC für Supercomputer
- Intel macht mit Lichtleitern PCs zu Teraflop-Computern