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24.04.1987 - 

Uni Stuttgart geht mit Serien-Nr. 6 (k)ein Risiko ein:

Cray-2 simuliert Zusammenprall von Galaxien

Benutzerforderungen nach qualitativer und quantitativer Supercomputerkapazität bewogen das Rechenzentrum der Universität Stuttgart, von einer Cray-1/M auf eine Cray-2 umzusteigen. Risiko ist unter anderem die niedrige Seriennummer der Mega-Maschine und das bis auf seine drei Endbuchstaben völlig andere Betriebssystem Unicos. Die Probe auf das kalkulierte Exempel des Umstiegs steht noch aus, aber am 30. Juni dieses Jahres wird die Cray-1/M stillgelegt.

Die Ende 1983 am Rechenzentrum der Universität Stuttgart installierte Cray-1/M war bereits zwei Jahre später voll ausgelastet. Auslastung bedeutet für die Ein-Prozessor-Maschine: zirka 750 CPU-Stunden pro Monat. Dieses für einen Größtrechner bemerkenswerte Ergebnis spricht für die hohe Verfügbarkeit seiner Hard- und Software.

Mehr als die Hälfte der Rechnerkapazität wurde von Universitäten außerhalb Stuttgarts, insbesondere durch die Universitäten Tübingen, Freiburg, Konstanz und Heidelberg abgenommen.

1985 gab es keine Alternative

Als beträchtliche Nutzungseinschränkung erwies sich jedoch in zunehmendem Maße nicht allein die quantitative Auslastung der Cray-1/M. Vielmehr waren es die qualitativen Anforderungen der Nutzer mit komplexen Anwendungen. Als solche sind Berechnungen zu bezeichnen, die einen Hauptspeicherbedarf von mindestens 128 MByte und gleichzeitig eine Rechnerleistung von einigen hundert MFlops benötigen. Im Interesse dieser Benutzer, deren Arbeitsgebiete selbst mit Rechnern der Leistungsklasse Cray-1 nicht wirtschaftlich und oft genug überhaupt nicht berücksichtigt werden konnten, mußte nach einem Rechner gesucht werden, der die Grenzen im Hinblick auf Hauptspeicher und CPU-Leistung möglichst weit setzt. Im Jahr 1985, zum Zeitpunkt der Entscheidung, war die Firma Cray Research einziger Anbieter eines Rechners dieser Klasse. Zur Cray-2 gab es keine Alternative.

Angesichts der überzeugend dargelegten Benutzerforderung nach qualitativer und quantitativer Supercomputerkapazität hat das Rechenzentrum bewußt ein Risiko akzeptiert, das mit der Beschaffung eines Größtrechners der Seriennummer 6 eingegangen wurde.

Nach einem Betriebszeitraum von einem halben Jahr können nachfolgend aufgeführte Fakten berichtet werden:

- Installation am 8. September 1986.

- Abnahme unter Produktionsbedingungen vom 8. Oktober 1986 bis 6. November 1986; Verfügbarkeit 98,98 Prozent.

- Aufnahme der Produktion bei gleichzeitiger Leistungsabrechnung 20. November 1986 (Charging).

- Fehlerstatistik vom 20. November 1986 bis 27. März 1987.

Gesamt: 24

davon Hardware: 10

Software: 8 127 Tage

Sonstige: 6

- Verfügbarkeit

Februar 1987: 93,14 Prozent

März(1.-27.): 91,11 Prozent

- Auslastung (einschließlich Wochenenden, Feiertagen und Nachtzeit)

Februar 1987: 625 CPU-Stunden (4 CPUs)

März (1.-27.): 675 CPU-Std.

Die Akzeptanz der Cray-2 durch die Benutzer ist hoch, obwohl deren Betriebssystem Unicos bis auf die letzten drei Buchstaben keine Gemeinsamkeit mit dem Betriebssystem COS aufweist, das auf der Cray-1/M gefahren wird. Die Auslastung wäre noch höher, wenn nicht derzeit noch die Cray-1/M verfügbar wäre. Mit deren Stillegung zum 30. Juni 1987 wird die gesamte Last einer zu 100 Prozent ausgelasteten Cray-1/M auf die Cray-2 übernommen werden müssen. Auf der Basis der derzeitigen Entwicklung ist davon auszugehen, daß die Auslastungsgrenze noch in diesem Jahr zu erreichen ist. Es wird dann darauf ankommen, den Rechner exklusiv für diejenigen Anwenderprobleme zu reservieren, die ausschließlich auf einer Anlage dieser Leistungsklasse bearbeitet werden können.

Die explodierende Nachfrage nach Supercomputerkapazität überraschte das Rechenzentrum der Universität Stuttgart nicht. Intensive Gespräche mit den Anwendern haben frühzeitig eine Entwicklung erkennen lassen, die sich auch in den derzeitigen und prognostizierten Verkaufszahlen der Hersteller widerspiegelt (vergleiche COMPUTERWOCHE vom 25. Februar 1987). Steigerungsraten von 100 Prozent werden von heute bis 1990 genannt. In den Anlagen 1 und 2 sind charakteristische Daten der Cray-2 angegeben.

Vektorisierung auf Cray-2 schwieriger als auf der 1

Die Umstellung von Fortran-Standard-Programmen auf die Cray-2 ist ohne größere Mühe möglich. Auf Anhieb sind dabei Laufzeitfaktoren von 1,3 bis 1,5 zur Cray-1 erzielbar. Diese Zahlen beziehen sich auf die Leistung eines Cray-2-Prozessors im Vergleich zu einer Cray-1. Diese Zahlen waren ermutigend, da zunächst befürchtet worden war, daß Programme mit ungünstiger Schleifenstruktur deutlich schlechter als auf einer Cray-1 laufen könnten. Durch sorgfältige Ausnutzung der Cray-2-Eigenschaften lassen sich Faktoren von 3 bis 5 gegenüber der Cray-1 erzielen (ein Cray-2-Prozessor). Dabei ist eine sorgfältige Organisation der Hauptspeicherzugriffe besonders wichtig.

Leistungen von 200 bis 300 MFlops für einen Prozessor sind erzielbar. Durch Verwendung der Cray-2-Bibliotheksroutinen lassen sich Gesamtraten von 1 000 bis 1700 MFlops für einzelne Programmteile erreichen.

Sorgfältige Organisation besonders wichtig

Insgesamt gesehen ist eine Vektorisierung und Optimierung auf einer Cray-2 wesentlich schwieriger durchzuführen als auf einer Cray-1. Dies liegt an dem Zusammenspiel der drei Komponenten Vektorisierung, Parallelisierung (vier Prozessoren) und Speicherkonflikte durch den großen, aber vergleichsweise langsamen Hauptspeicher.

Tests haben ergeben, daß die Ausdehnung der Datenfelder auf den gesamten Hauptspeicher von 256 Megaworten der Cray-2 zu keinerlei Leistungseinbußen führt. Die Cray-2 ist deshalb hervorragend für Probleme mit großem Speicherbedarf geeignet.

Die Compilierzeit des Compilers FT77 ist zehnmal so hoch wie auf der Cray-1; außerdem ergeben sich beim Laden großer Programme mit sehr vielen Subroutines (>300) Probleme. Diese typischen Anfangsprobleme sollten wie angekündigt in folgenden Releases des Betriebssystems abgestellt sein.

Nur durch Cray-2 lösbare Probleme

Die Anwender sind in der Anfangsphase naturbedingt zunächst mit dem Test und der Anpassung ihrer alten Programme beschäftigt und gehen die Lösung der anstehenden Großprobleme schrittweise an. Trotzdem wurden schon verschiedene Probleme, die nur auf einer Cray-2 lösbar sind, erfolgreich angegangen. Zwei davon sollen hier exemplarisch erwähnt werden.

Am Institut A für Mechanik werden die instationären, dreidimensionalen Strömungsvorgänge beim laminar-turbulenten Grenzschichtumschlag mit Hilfe von direkten numerischen Simulationen untersucht. Die vollständigen, dreidimensionalen Navier-Stokes-Gleichungen werden mit einem kombinierten Differenzen-Spektralverfahren gelöst. Für eine Berechnung der instationären Strömung in einem Integrationsbereich von 1101 mal 73 Gitterpunkten in x-y-Richtung und drei Harmonischen in z-Richtung wurden zirka 41 Stunden Rechenzeit benötigt. Der Speicherplatzbedarf für die bei jedem Zeitschritt an jedem Gitterpunkt erforderliche Speicherung von sechs Strömungsvariablen, drei Zeitableitungen an zwei zurückliegenden Zeitebenen und mehreren Hilfsgrößen zur Behandlung der nichtlinearen Therme betrug 8,8 Megaworte.

Den Zusammenstoß von Galaxien simuliert

Das Max-Planck-Institut in Garching hat den Zusammenstoß zweier Galaxien simuliert. Dichte, Impulsvektor, Energie und daraus abgeleitet Temperatur und Druck wurden in einem 102x102x102-Ortsnetz in 8000 Zeitschritten berechnet. Das Programm benötigte 57 Megaworte Hauptspeicher und zirka 75 Stunden Rechenzeit.

In der Anfangsphase eines neuen Rechnertyps ist es immer schwierig, die notwendigen kommerziellen Softwarepakete rechtzeitig zu bekommen. Nach anfänglichen Schwierigkeiten ist es jetzt gelungen, folgende Pakete zu installieren beziehungsweise in den nächsten Wochen installieren zu können.

Im Finite-Element-Bereich sind dies die Pakete Adina, Permas und Abacus sowie Dyn3D, im Bereich der Fluid-Mechanik Phoenics und Fidap und im Bereich des Molecular-Modelling aus der Chemie die Pakete Mopac und Charmm.

Zur Erstellung grafischer Auswertungen sind die Pakete Oasis für RAY-Tracing-Algorithmen, Picasso und Rsyst und demnächst Movie.Byu verfügbar.

Am Netz der Cray-1

Das schon bei der Cray-1 erprobte lokale Netz hat sich auch für die Cray-2 bewährt. Jedoch ist ein weiterer Ausbau zur Bewältigung der großen von der Cray-2 erzielten Ergebnisdaten Schritt für Schritt erforderlich. Für externe Nutzer ergeben sich dabei Probleme infolge der hohen Postgebühren für schnelle Leitungen.

Des weiteren ist jetzt schon abzusehen, daß die Archivierung und Sicherung dieser Datenmengen nur durch Einführen neuer Massenspeichermedien bewältigt werden kann.

Die Inbetriebnahme und Nutzung der Cray-2 hat, abgesehen von den üblichen Schwierigkeiten, die bei der Einführung eines Rechners mit der Seriennummer 6 auftauchen, keine größeren Probleme bereitet.

Sowohl von der Speicherkapazität als auch von der Leistung hat die Anlage ein sehr hohes Potential, das, wenn auch im Moment in der Spitze nicht sehr einfach erreichbar, die erwartete Lösung von Großproblemen ermöglicht.

*Dr. Karl Gottfried Reinsch ist Geschäftsführender Direktor, Dr. Roland Rühle Wissenschaftlicher Direktor am Rechenzentrum der Universität Stuttgart.