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Wofür braucht man eigentlich Supercomputer?

Was ist ein Supercomputer?

Obwohl wir für viele physikalische Probleme die Gleichungen gut kennen, kann man oft diese Gleichungen nicht mehr mit Paper & Bleistift lösen. Das liegt nicht daran, dass wir die Mathematik nicht verstehen, sondern daran, dass es keine Lösung gibt, die man mit der Hand hinschreiben könnte. Hier helfen uns Computer: damit können wir eine sehr gute Näherung der Lösung berechnen. Hierzu müssen oft viele Trilliarden an Rechenoperationen (Addition, Multiplikation) durchgeführt werden. Damit man auf das Ergebnis nicht viele Jahre warten muss, verwendet man besonders leistungsfähige Prozessoren und man schaltet diese Computer zu einem großen Computer zusammen. Rechnen nun alle Computer gleichzeitig und kooperativ an der Lösung eines Problems, so spricht man von einem Supercomputer.

QPACE

Der Betrieb eines Supercomputers ist nicht einfach: man muss die Programme besonders strukturieren, damit wirkich alle Computer gleichzeitig und kooperativ an der Lösung arbeiten. Zudem benötigt ein Supercomputer viel Energie und muss auch entsprechend gekühlt werden. Eines der Ziele der QPACE-Rechner ist es, möglichst wenig zusätzliche Energie für die Kühlung auszugeben, denn auch der Betrieb einer Klimaanlage oder kaltes Wasser bedeuten einen zusätzlichen Energiebedarf.

Deswegen wurde QPACE-2 so konstruiert, dass trotz eines Bedarfs an ca. 100~kW keine zusätzliche Kühlung notwendig war, sondern auch im Hochsommer alleine mit der Außentemperatur ein Betrieb möglich war. Ein anderes Projekt (iDataCool) zeigte sogar, dass ein Betrieb mit heißem Wasser als Kühlmittel möglich war, so dass man mit der Wärme der Rechner eine Wärepumpe betreiben kann um andere Rechner zu kühlen.

QPACE-4 verwendet ARM-Prozessoren von Fujitsu, die besonders für paralleles Rechnen geeiget sind. Jeder Prozessor hat 48 Kerne, mit 1,8 GHz getaktet. Jeder kern besitzt 4 Recheneinheiten, von denen jede 8 Rechnungen parallel ausführen kann.*
(Bei den meisten Rechnungen arbeiten dann mehrere dieser Prozessoren zusammen.)

Netzwerk

Damit die Rechner aber wirklich zusammenarbeiten können, müssen Sie alle miteinander Verbunden werden. Dazu kommen spezielle Netzwerke zum Einsatz. Das normale Ethernet wie man es aus Heimanwendungen kennt, ist da meist zu langsam. Zusätzlich zum Supercomputer benötigig man auch noch Festplatten oder andere Medien um die Ergebnisse der Berechnungen abzuspeichern. Je nach Anwendung und System können dies mehrere tausend Terabyte sein.

Was wird berechnet?

Welche Probleme rechnen wir nun auf QPACE? Unsere Gruppe rechnet hauptsächlich Probleme der Physik der starken Wechselwirkung, als derjenigen Kraft, die Quarks in Protonen, Neutronen und anderen Baryonen zusammenhält. Aus dem Vergleich der Vorhersagen der Rechnungen mit Messungen kann man auf „neue Physik“ — als bislang unentdeckte Effekte oder neue Teilchen — schließen. Daten dazu werden in großen Experimenten, an Teilchenbeschleunigern wie beispielsweise am CERN oder am FAIR, gewonnen. Andere Gruppen berechnen z.B. das Verhalten neuer Werkstoffe oder von Nanomaterialen.

Wie benutzt man nun einen Supercomputer?

Anders als bei einem Heim-PC sitzt niemand direkt an einem Bildschirm. Die Computer sind in einem Rechenzentrum untergebracht und laufen meist rund um die Uhr. Die Berechnungen sind sehr aufwändig und können auch auf einem Supercomputer viele Wochen dauern. Wir verwenden als Betriebssytem Linux®. Die Programme, welche die physikalischen Berechnungen ausführen sind selbst geschrieben. In vielen Fällen gibt es dafür keine Firmen, bei denen man so etwas kaufen könnte, sondern das Programmieren ist Teil der Arbeit als Wissenschaftler. Programmiert wird an einfachen Rechern oder am Laptop. Von dort aus kann man dann Programme auf dem Supercomputer starten, und sich später das Ergebnis abholen.