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12.07.2005

Petaflops: Das Maß aller Dinge

Hans Werner
Die internationale Supercomputing-Gemeinde setzt ihre Rekordjagd fort und peilt die Petaflops-Schallmauer an. Allen voran marschiert IBM: Von Big Blue stammen derzeit sechs der zehn schnellsten Systeme.

Mit 650 Teilnehmern aus 29 Nationen erreichte die Internationale Supercomputer-Conference ISC 2005 im Juni bei ihrer fünften Auflage in Heidelberg einen neuen Rekord. Ergänzt wurde die Konferenz durch eine dreitägige Ausstellung mit 46 internationalen Anbietern zum Thema High-Performance-Computing (HPC).

Für den ISC-Hauptsponsor IBM erwies sich die neue, anlässlich der Konferenz herausgegebene Top-500-Liste der Supercomputer als ideales Werbeinstrument. Noch nie in der zwölfjährigen Geschichte der Top 500 hat ein Hersteller so dominiert wie in diesem Jahr Big Blue: Von den weltweit zehn schnellsten Computern hat IBM sechs Systeme gefertigt, darunter den alten und neuen Spitzenreiter "Blue Gene/L" am Lawrence Livermore National Laboratory des US-Energieministeriums. Der Rechner erzielte in seiner vorerst halben Endausbaustufe die neue Rekordleistung im Linpack-Benchmark von 136,8 Tera Floating-point Operations per Second (Tflops = 1000 Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde). In seiner voraussichtlich noch in diesem Jahr installierten Endausbaustufe sollen dann rund 25 Prozent der neuen Schallmauer Petaflops (Pflops = 1000 Tflops) erreicht werden.

High Density Computing

Der Spitzenrechner weist wie die vier weiteren Blue-Gene/L-Systeme unter den Top Ten neue Systemeigenschaften auf. Zudem hat IBM elf weitere Blue-Gene/L-Computer unter den Top 64 untergebracht. Der sich anbahnende Trend im Supercomputing, den Thomas Sterling vom Caltech in seinem Vortrag "HPC Retrospect" auf der ISC 2005 unter dem Schlagwort "High Density Computing" beschrieb, zeichnet sich durch folgende Charakteristika aus: geringerer Stromverbrauch, geringerer Raumbedarf und geringere Kosten verglichen mit den klassischen Vektorarchitekturen. Blue Gene/L erfüllt genau diese Charakteristika.

IBM dominiert nicht nur bei den zehn schnellsten Computern, sondern in der gesamten Top-500-Liste: Mit 52 Prozent der installierten Systeme liegt Big Blue eindeutig vorne. Hewlett-Packard (HP) belegt den zweiten Rang mit 26 Prozent der Systeme. Der drittplatzierte Hersteller in der Liste ist SGI mit fünf Prozent. Aus diesem Unternehmen stammt auch die Parade- installation "Columbia" bei der US-amerikanischen Weltraumbehörde Nasa. Der Rechner rangiert auf Platz drei der Liste.

Intel-CPUs dominieren

Noch dominierender als IBM bei den Systemen ist Intel bei den Prozessoren: Zwei Drittel aller Computer in den Top 500 verwenden CPUs von Intel. Hier muss sich IBM mit den "Power"-Prozessoren und einem Anteil von 15 Prozent klar abgeschlagen mit dem zweiten Platz zufrieden geben. Dabei hatte der Prozessorriese Intel vor genau fünf Jahren gerade einmal vier Systeme in den Top 500 bestückt, darunter das damals an erster Position liegende "ASCI Red" der Sandia National Laboratories. Erstmalig erschien dieser erste Tflops-Rechner im Juni 1997 in der Top-500-Liste. ASCI Red ist jetzt das einzige reine Intel-System in der Liste, aber auf Position 139 zurückgefallen. Der Rechner wird wohl Ende 2006 ganz aus den Top 500 verschwinden. Die Top-500-Liste zeigt die ungebrochene Dynamik des Supercomputing-Segments, denn in der aktuellen Liste sind nur noch Tflops-Systeme vertreten. Als Autoren der Rangliste konnten wir diese Entwicklung bereits vor acht Jahren vorhersagen, als es nur ein einziges Tflops-System in der Liste gab.

Kaum "Selfmade"-Cluster

In der neuen Rangliste gehören 304 Systeme zur Kategorie der Cluster, die damit die dominierende Architektur in den Top 500 darstellen. Dabei spielen die - vornehmlich an Universitäten beliebten - "Selfmade"-Cluster mit nur noch sechs Systemen keine große Rolle mehr. Auch hier teilen sich die HPC-Marktführer IBM und HP den Kuchen auf: IBM kommt auf einen Anteil von rund 63 Prozent, HP auf 19 Prozent. Es gibt aber auch eine ganze Reihe von Systemintegratoren für Cluster, die kaum jemand kennt. Hierzu zählen etwa Atipa Technology, Linux Networx, Dalco und Lenovo. Die Anwender haben gelernt, dass man Cluster ab einer gewissen Größenordnung doch besser durch einen Systemintegrator herstellen und warten lassen sollte, gerade wenn Prozessoren und das Interkommunikationsnetz von der Stange zu kaufen sind.

Der leistungsstärkste Cluster weltweit ist "Mare Nostrum" am Supercomputing-Center in Barcelona, gleichzeitig das leistungsstärkste HPC-System derzeit in Europa und auf Platz fünf der Top-500-Liste. Das System basiert auf "JS20"-Blades von IBM, so genannten Dual-2.2-Gigahertz-PPC970FX+ Nodes, verbunden durch Myrinet. Das Betriebssystem von Mare Nostrum ist Linux, das auch das dominierende Betriebssystem der Top-500-Liste mit einem Anteil von 62 Prozent ist. Bei Clustern kommt Linux sogar auf 95 Prozent.

Klassische HPC-Themen

Jesus Labarta von der Technical University of Catalonia erläuterte in seinem Vortrag "Navigating the Mare Nostrum", dass das System in Life-Sciences, Biologie, Chemie, Geowissenschaften und Wasserkunde, der Klimaforschung, Astronomie, Sozial- und Wirtschaftswissenschaften sowie Bereichen der Physik (etwa Materialwissenschaft und Strömungsforschung) eingesetzt werden soll. Dies sind zum größten Teil die klassischen HPC-Anwendungsgebiete.

Dass man aber auch Cluster - nicht unbedingt der Top-500-Leistungsklasse - sehr innovativ verwenden kann, berichtete auf der ISC 2005 Arno Radermacher vom Bankhaus Sal. Oppenheim jr. & Cie, Frankfurt am Main, das ein HPC-Cluster für das Investmentbanking nutzt. Torbjörn Larsson, verantwortlich für die Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) bei der Sauber Petronas Engineering AG aus dem schweizerischen Hinwil, nutzt ein Dalco-Linux-Cluster für die Rennsportserie Formel 1.

Im internationalen Vergleich hat Deutschland Boden gutgemacht. Mit 40 Computern in der Top-500-Liste sind hierzulande die meisten Systeme in Europa installiert. Im Wettbewerb um die höchste Anzahl der installierten Supercomputer in Europa lösten sich bisher Großbritannien und Deutschland auf dem ersten Platz ab - beide Länder haben in der Regel jeweils einen Anteil zwischen sechs und 14 Prozent an den Top 500. Aus der neuen Liste stehen 32 Systeme in Großbritannien. Nach den USA (mit 294 Systemen eindeutig in Führung) ist Deutschland das Land mit den meisten HPCs weltweit in den Top 500, noch vor Japan mit nur noch 23 Systemen.

China wird kommen

Trotz dieses nicht schlechten Resultats sollte aber hierzulande noch mehr in den Bereich HPC investiert werden als bisher. Man muss sich insbesondere überlegen, ob Deutschland mittel- und langfristig ohne eine eigene Supercomputer-Industrie auskommt. Die Produktion der Spitzenrechner findet derzeit seit vielen Jahren zu mehr als 90 Prozent in den USA statt. Japan, wo vor zehn Jahren noch ein Fünftel aller HPC-Systeme produziert wurden, hat nur noch 3,2 Prozent der jetzigen Top-500-Systeme gefertigt. Hauptgrund ist der Rückgang in der Nachfrage nach Vektorrechnern.

Europa kann seit vielen Jahren praktisch keine eigenständige Supercomputer-Industrie mehr vorweisen. Auch die jetzige Dominanz neuer HPC-Cluster-Architekturen hat in der Alten Welt keine neue Belebung verursacht. Hier ist künftig aus China einiges zu erwarten. So ist das Reich der Mitte in der neuen Top-500-Liste mit 19 Computern wesentlich besser vertreten als etwa Frankreich mit elf Systemen. Vier dieser 19 chinesischen Supercomputer wurden auch dort produziert. In Deutschland wurde von den 40 Systemen gerade einmal eines von Fujitsu-Siemens Computers in Deutschland gefertigt: Das an Position 205 liegende System "Arminius" der Universität Paderborn. (ajf)