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20.11.1987

Zehn Monate nach Supercomputer-Installation Beratungsengpaß, aber:Cray-2 an Uni Stuttgart gut ausgelastet

STUTTGART - Seit knapp einem Jahr ist die Stuttgarter Cray-2 - eine von drei derzeit in Europa installierten Anlagen dieses Typs - im Regionalen Rechenzentrum der Universität in Betrieb. In einem Ende Oktober veranstalteten Kolloquium zeigten Anwender, was dieser Höchstleistungsrechner seinen Benutzern bringt. Die Anschaffung der Cray-2 zum stolzen Preis von 48 Millionen Mark hatte heftige öffentliche Diskussionen im "Ländle" hervorgerufen.

Die Vier-Prozessor-Anlage Cray-2 ist mit den Instituten auf dem Campus in Stuttgart-Vaihingen, die sechs VAX- und drei Microvax-II-Rechner mit angeschlossenen Arbeitsplätzen betreiben, über ein Glasfaser-Ethernet verbunden. Dieses als Pilotprojekt von Hirschmann installierte Netz ist kostengünstiger und hat eine größere Reichweite als herkömmliche Koaxialkabel. Eine Glasfaserleitung mit 10 Megabit pro Sekunde wird ab November dieses Jahres den Universitätsbereich in Stuttgart-Mitte mit dem Rechenzentrum verbinden.

Andere Universitäten Baden-Württembergs wie Freiburg, Heidelberg und Karlsruhe haben ebenfalls Zugriff zur Stuttgarter Cray-2. Aber erst im Frühjahr 1988 wird zwischen Stuttgart und Karlsruhe die erste Glasfaserstrecke mit 140 Megabit pro Sekunde als Pilotprojekt der Post in Betrieb genommen werden. Eine ebenso schnelle Verbindung nach Freiburg ist geplant. Außeruniversitären Forschungseinrichtungen und der Industrie steht der Stuttgarter Supercomputer über Datex-P zur Verfügung.

Engpaß Datenübertragung

Entscheidende Hemmnisse für die Nutzung der Stuttgarter Cray-2 durch entfernt ansässige Unternehmen sind die langsamen Datenübertragungsverbindungen und deren hohe Kosten. So beurteilten während des Kolloquiums fast alle referierenden Anwender von außerhalb des Campus den Zugang zur Cray-2 als unbefriedigend. Selbst Porsche, mit einer 64-KBit/s-Leitung direkt mit dem Rechenzentrum verbunden hält diese Übertragungsleistung für zu niedrig. Dornier in Friedrichshafen greift zur Selbsthilfe und setzt zum Datentransport einen Mitarbeiter ins Auto. Auch das künftige ISDN bietet für die in diesen Forschungsbereichen anfallenden großen Datenmengen keine ausreichende Leistung.

Nicht nur das Stuttgarter Rechenzentrum und seine Benutzer, sondern die gesamte Kommunikation in der Forschung, die auf das Übertragen von Massendaten angewiesen ist, leidet unter dem Mangel an schnellen Übertragungsmöglichkeiten. So war die Forderung an die Deutsche Bundespost, die Forschungskommunikation tariflich günstiger zu gestalten und schnellere Übertragungsmedien zur Verfügung zu stellen, einer der wenigen Punkte, in denen sich auf der jüngsten Ministerpräsidentenkonferenz in München alle Teilnehmer über Parteigrenzen hinweg einig waren.

Das Betriebssystem Unicos der Cray-2, ein Unix-Derivat für Supercomputer, verfügt bisher noch nicht über die für ein Service-Rechenzentrum erforderlichen Funktionen. Dies wurde von fast allen Anwendern bemängelt, die sich zwar zufrieden über die Hardware äußerten, aber noch Probleme mit der Benutzerschnittstelle und der Benutzerführung haben. An die hohen Anforderungen, die ein Wissenschaftler nach Ansicht des Gastreferenten Karl-Heinz Winkler vom amerikanischen Los Alamos National Laboratory an ein Service-Rechenzentrum stellen darf, kommt die Stuttgarter Anlage sicherlich noch nicht heran. Nach Winkler sollte ein Wissenschaftler nicht durch die Beschränktheit der Umwelt - in diesem Fall des Rechenzentrums - in seiner Arbeit behindert werden, sondern höchstens durch die eigene Beschränktheit.

Trotz dieser Engpässe ist Karl-G. Reinsch, zusammen mit Professor Roland Rühle, einer der beiden Rechenzentrumsleiter, mit der bisherigen Nutzung der Cray-2 zufrieden: Eine Auslastung von 86 Prozent nach zehnmonatiger Betriebszeit kann sich im Vergleich zu US-Großrechnerinstallationen, die im gleichen Zeitraum durchschnittlich 35 Prozent und erst nach zwei Jahren die Stuttgarter Werte erreichen, durchaus sehen lassen.

Probleme bringt es für ein Service Rechenzentrum, zur Beratung der Anwender, beispielsweise bei der Auswahl eines geeigneten numerischen Verfahrens, ausreichend kompetente Mitarbeiter zu finden. Der zeit ist für diese Aufgabe ein Team von zehn Wissenschaftlern im Rechenzentrum zuständig. Jeder Industriekunde hat einen ständigen Betreuer. Doch ist dem baden-württembergischen Wirtschaftsminister Martin Herzog, der als Vertreter des Landes die Teilnehmer des Kolloquiums begrüßte, der Nutzungsanteil der Industrie mit rund zehn Prozent noch zu klein. Bisher sind es vorwiegend Großkunden wie Porsche, BASF, die DFVLR oder Dornier, welche die Rechenleistung der Cray-2 in Anspruch nehmen.

Mittelstand noch nicht überzeugt

Mittelständische Unternehmen haben noch Akzeptanzprobleme. Um ihnen den Einstieg zu erleichtern fördert die Landesregierung die Einführung geeigneter Workstations wie die von Apollo Domain oder Sun sowie die Anpassung von Programmen an solche Computer. Ein Beispiel sind Berechnungen für die Strukturanalyse, die auch kleinere Unternehmen vornehmen müssen. In diesem Fall unterstützt die im Stuttgarter Technologie-Zentrum ansässige Ingenieurgesellschaft für technische Software mbH, die mit dem Programm "Permas" eine Weiterentwicklung des FEM-Programms "Aska" anbietet, Firmen bei der Übernahme des Programms sowie bei Schnittstellenproblemen.

Die Entgeltsätze für eine Rechnerstunde auf der Cray-2 sind nach Art der Anwender (Universität, Forschungseinrichtung oder Industrie) gestaffelt und betragen für Industriekunden bei Verwendung der Cray-2 als Vier-Prozessor-Anlage im Batch-Betrieb 4000 Mark, im Realtime-Betrieb 6000 Mark je Stunde. Bei Nutzung nur eines Prozessors reduziert sich dieser Preis auf ein Viertel. In der für Universitätsanwender billigsten Abrechnungsklasse kostet die Belegung eines Viertels der Maschine weniger als die gleich lange Beschäftigung einer ungeprüften wissenschaftlichen Hilfskraft.

Simulationen ersetzen Experimente

Ein großer Teil der Rechenkapazität der Stuttgarter Cray-2 wird für Simulationen genutzt, denn, so Prorektor Professor Philipp Hartl: In Zeiten, in denen Flugzeughersteller Maschinen anbieten, die noch gar nicht existieren, könne die Forschung und Industrie nur mit leistungsfähigen Werkzeugen, beispielsweise Supercomputern, im Wettbewerb mithalten. Diese Höchstleistungsrechner ersetzen oder ergänzen zeit- und kostenintensive Experimente wie Windkanalversuche in der Flugzeugindustrie oder Crash-Tests im Automobilbau durch Modellrechnungen. Simulationen benötigen aber auch auf leistungsfähigen Computern oft noch Rechenzeiten von vielen Stunden bis zu mehreren Tagen.

Außer der Rechenleistung der Cray-2 (theoretisch 2000 Megaflops) hoben die Benutzer insbesondere deren großen Arbeitsspeicher mit zwei Gigabyte hervor, der es ermöglicht, statt Anlagenteilen ganze Systeme zu simulieren. Wenn in solchen Fällen Gleichungssysteme mit bis zu A20 000 Unbekannten auf einmal abgearbeitet werden können, bedeutet das eine enorme Einsparung an Rechenzeit für Datentransfers zwischen Haupt- und Plattenspeicher. Der große Speicher läßt es auch zu, Simulationen nicht nur auf eine Art von Berechnungen zu beschränken - in der Kraftwerkstechnik beispielsweise auf die Thermohydraulik -, sondern etwa mit Berechnungen zur Bruchmechanik zu verknüpfen, um damit langfristige Belastungen zu erfassen.

Die für Simulationen verwendeten Modelle bilden einen physikalischen Prozeß nach und abstrahieren dabei das reale Geschehen. Eine Simulationsrechnung ist deshalb empfindlich von der Güte des Modells abhängig. Es wird in der Regel durch Differential- oder Integralgleichungen beschrieben, die dann mit numerischen Verfahren gelöst werden müssen. Zum physikalischen kommt also ein weiteres numerisches Modell, das wegen der Endlichkeit der Rechnerleistung ebenfalls nur ein Näherungsmodell sein kann. Der Wissenschaftler muß also davon ausgehen, daß unter Umständen beide Modelle mit Fehlern behaftet sein können.

Menschen brauchen Grafik

Es ist deshalb äußerst wichtig, die Ergebnisse einer Simulationsrechnung zu überprüfen und zu bewerten. Doch fallen bei solchen Berechnungen heute derart große Datenmengen als Ergebnisse an, daß sie ohne moderne Hilfsmittel nicht mehr zeitgerecht und zuverlässig interpretiert werden können. Hier bietet sich die Computergrafik als Hilfsmittel an. Arthur Sauter von der Staatlichen Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart demonstrierte in eindrucksvollen Bildern, wie die Farbgrafik die Simulationen unterstützt, indem sie Rechenresultate schnell und übersichtlich darstellt. Eine Aneinanderreihung solcher Einzelbilder zu einem kontinuierlichen Ablauf macht den simulierten physikalischen Prozeß noch besser zugänglich. Nahezu optimal, jedoch sehr rechenintensiv ist die Computeranimation - in der Wissenschaft keine Spielerei, sondern eine leicht verständliche Darstellung komplexer Verhältnisse.

Fritz Schmidt vom Institut für Kernenergetik schlägt wissensbasierte Systeme zur Unterstützung bei der Überprüfung und Bewertung von Rechenergebnissen vor. Häufig handelt es sich hierbei um Routineaufgaben, die der Ingenieur nach Standardregeln erledigt. Solche Regeln lassen sich in einem wissensbasierten System speichern, das dann die Ausgabewerte auf Verletzungen der Regeln hin überprüft. Gegenüber Standardverfahren erlauben wissensbasierte Systeme eine flexiblere Formulierung derartiger Plausibilitätsregeln und eine bessere Anpassung an das entsprechende Problem. Der Wissenschaftler wird von Routineaufgaben entlastet und ist nur noch bei der Bewertung von kritischen Verläufen gefordert.

Wer sind die Benutzer der Cray-2?

Die meisten Berechnungen, die auf der Stuttgarter Cray-2 laufen, stammen aus der Aerodynamik und der Strukturanalyse. Doch hat die Chemie als noch junger Kunde der Supercomputer hier bereits einen Anteil von 17 Prozent der Rechenzeit erreicht.

Die Aerodynamik ist eines der ältesten Gebiete, die die Leistung von Supercomputern benötigten. Schon der erste Supercomputer "Illiac IV" wurde an der Universität von Illinois für derartige Aufgaben entwickelt. In Stuttgart nimmt die Aerodynamik mit 46 Prozent den größten Teil der Cray-2 in Anspruch, was auf die Forschungsaktivitäten der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik und verwandte Institute sowie auf die benachbarte DFVLR (Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt) zurückzuführen sein dürfte. Die aufwendigen Berechnungen werden insbesondere für moderne Verkehrsflugzeuge vorgenommen, deren Betriebskosten zu einem großen Teil durch den Treibstoffverbrauch bestimmt werden. Die Flugzeugentwickler bemühen sich, durch eine aerodynamisch günstige Auslegung diesen Verbrauch zu senken, doch ist der dazu erforderliche Rechenaufwand beträchtlich. So nannte Norbert Gilbert von der DFVLR in Göttingen mehr als 100 Stunden Rechenzeit auf der Cray-2 für die numerische Simulation des Übergangsprozesses von der widerstandsarmen laminaren Grenzschichtströmung auf einem Tragflügel zur turbulenten Strömung mit wesentlich größerem Widerstand und entsprechend höherem Treibstoffverbrauch.

Die Firma Porsche gibt seit 1984 alle Berechnungen der Strukturmechanik an externe Supercomputer. Erich Schelkle hob besonders die gegenüber dem Experiment niedrigen Rechnerkosten hervor. So mußten für eine Crash-Berechnung auf der Cray-2, die den Bau einer teuren Prototypkarosse ersparte, nur 1800 Mark ausgegeben werden. Das Berechnen des dynamischen Verhaltens einer Rohkarosse kostete 420 Mark. Ein von Schelkle durchgeführter Kostenvergleich für gleiche Programmläufe auf der früheren Cray-1 und der Cray-2 fiel für die Cray-2 bis zu einem Faktor 5 günstiger aus.

Sowohl in der theoretischen als auch in der experimentellen Chemie dürfte der Supercomputer in Zukunft zum unentbehrlichen Werkzeug werden. In der theoretischen Chemie dient er beispielsweise der quantenmechanischen Berechnung der elektronischen Struktur von Molekülen. Vom Institut für Organische Chemie in Stuttgart wird die Cray-2 zur Bearbeitung der bei Röntgenstrukturanalysen anfallenden umfangreichen Datenmengen herangezogen. John Stezowski berichtete über derartige Anwendungen in der Arzneimittel- und Krebsforschung sowie beim sogenannten Protein-Engineering. Der Computer hilft auch bei der Frage nach dem Aussehen eines Moleküls indem er es als raumfüllendes Kalottenmodell darstellt. Der Chemiker gewinnt damit bessere Einblicke in molekulare Vorgänge.

Prototyp der Cray-3 Ende nächsten Jahres

Es sei das Anliegen seines Unternehmens, betonte in Stuttgart Marcelo Gumucio, Executive Vice President Marketing der Cray Research Inc., den Kunden immer die schnellsten Rechner anbieten zu können. Schon Ende nächsten Jahres soll ein Prototyp des Nachfolgemodells Cray-3 getestet werden. Der Computer wird mit Gallium-Arsenid-Chips eine Zykluszeit von 2 Nanosekunden (Cray-2: 4,1 Nanosekunden) erreichen und soll dreimal so leistungsfähig wie das gegenwärtige Top-Modell sein. Eine Option auf die Cray-3 hat der baden-württembergische Ministerpräsident Lothar Späth bereits in der Tasche. Firmengründer Seymour Cray entwirft derzeit schon die Cray-4, die mit 64 Prozessoren und einer Zykluszeit von nur noch einer Nanosekunde arbeiten soll.

Dipl.-Ing. Kristin Mierzowski ist freie EDV-Fachjournalist in Leonberg.