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22.03.1991 - 

Der Parallelrechner tut's für ein Fünftel

Ziel Atomkern: Transputer simulieren Molekularmodelle

Mit einem Transputer-Parallelrechner treten Forscher der niederländischen Shell Research eine Forschungsreise in den subatomaren Mikrokosmos an. Grundlegende Phänomene der Moleküldynamik werden an einem Rechnermodell simuliert; die Rückschlüsse auf Realsituationen könnten eines Tages zu völlig neuen Produkten führen.

Das "Koninklijke Shell Laboratorium" (KSLA) in Amsterdambetreibt mit 1500 Mitarbeitern die weltweite Grundlagenforschung und Anwendungsentwicklung für Shell, unter anderem die Untersuchung neuer Prozesse für die Umwandlung von Öl, Gas, Kohle und anderen Energieträgern. Ein Teil der Shell-Anwendungsforschung gilt dem bisher unklaren Verhalten von Molekülen in Öl- und Wassersystemen. Mit Computersimulationen der molekularen Mechanik unternimmt man beim niederländischen Ölmulti den Versuch, eine submikroskopische Welt nicht nur zu beobachten, sondern auch auf sie einzuwirken.

Auf einem Parallelrechner wird ein winziger Ausschnitt der Realität, zum Beispiel eine 0, 00001 Quadratmillimeter große Grenzfläche zwischen Öl und Wasser, mit allen darin enthaltenen Molekülen, Partikeln und Teilchen simuliert. In diesem Miniatursystem interagieren die Partikel unter von den Forschern vorgegebenen Temperatur-, Drück- und Diffusionsparametern.

Digitale Dinosaurier

Natürlich handelt es sich bei der Molekularsimulation um ein relativ einfaches Modell der Realität, das allerdings um so aussagefähiger wird, je mehr Partikel darin enthalten sind. Für die Amsterdamer Forscher hat erst eine Simulation mit zirka 40000 Molekülen einen praktikablen Nützen, der sich langfristig in innovativen Produkten niederschlägt.

Möglich ist Grundlagenforschung an derartigen Molekularmodellen nur auf den leistungsstärksten Superrechnern. Obwohl Shell über mehrere Cray-Supercomputer verfügt fiel im Herbst 1990 die Entscheidung für ein völlig anderes Konzept: Shell kaufte von der Parsytec in Aachen einen der größten industriellen Parallelrechnern mit 400 Prozessoren.

Parallelverarbeitung, seit Jahren als Zukunft der Computertechnik prognostiziert, löst die grundsätzlichen Probleme, in die sich die traditionellen Großrechnerhersteller manövriert haben: Die digitalen Dinosaurier basieren auf einem einzigen, hochgezüchteten Prozessor, der sequentiell, also Stück für Stück, die gesamte Arbeit erledigen muß. "Massively Parallel Processing" (MMP) dagegen verteilt die Programme und Daten auf Dutzende und Hunderte von Verarbeitungseinheiten. Hier bietet sich vor allem der Transputer an, ein von der britischen Firma Inmos für die kommunikatiosintensiven Parallelsysteme entwickelter Chip. Massiv parallele Systeme wie der Amsterdamer Superrechner arbeiten hauptsächlich an numerisch intensiven Problemen in der internationalen Forschung und Industrie und profilieren sich als kostengünstige Alternative.

Dreimal schneller als eine Cray XMP

Die kommunikationsfreudigen Prozessor-Cluster bieten sich aufgrund ihrer Architektur für die Simulation komplexen Probleme geradezu an: Beim Parallelrechner der Shell zum Beispiel können Partikel oder Molekulargruppen direkt auf die Struktur des Rechners abgebildet werden. Untersucht man beispielsweise die direkte Interaktion zwischen Molekülen im Nahbereich, so wird dieser Austausch entsprechend von benachbarten Transputern simuliert. Sobald man den Untersuchungsbereich vergrößert, wirkt sich die neue Anordnung direkt auf die Struktur des Rechners aus: Ein anderes erweitertes Kommunikationsschema zwischen den Transputern bildet das veränderte Modell ab.

Rechner mit der traditionellen Von-Neumann-Struktur stoßen bei dieser direkten Abbildung eines Problems schnell an ihre Grenzen. Vor dem Einsatz des neuen Supercomputers konnte mit dem vorhandenen Number-Cruncher älterer Bauart (Cray) lediglich das Verhalten von Systemen mit maximal 1000 Partikeln studiert werden. Aus derart kleinen Systemen können Rückschlüsse auf das Verhalten realer Systeme kaumgezogen, erst recht nicht experimentell Neuansätze initiiert werden. Peter Hilbers, Forschungsingenieur im Königlichem Shell Labor Amsterdam, hat mit beiden Systemen gearbeitet: "Grundlagenforschung in der molekularen Mechanik ist im jetzigen Ausmaß erst möglich, seitdem sich durch den Einsatz des Parallelsystems die Anzahl der simulierten Partikel dramatisch erhöht hat. " 40 000 bis 100 000 Partikel umfaßt das neue, parallele Modelluniversum der Amsterdamer, eine ausreichende Simulationsgröße, da bestimmte Phänomene erst bei diesen Größenordnungen auftreten.

Bei der Verarbeitung der Simulationen läßt der Parallelrechner die Cray XMP zudem glatt hinter sich: Fast dreimal schneller bewältigt der Aachener Computer die langwierigen Berechnungen.

Die Vorteile der flexibleren und einfacheren Rechnerarchitektur verdeutlichen sich auch in den Anschaffungs- und Betriebskosten. "Selbst wenn wir unsere Simulationen auf einem normalen Rechner fahren könnten, würden wir aus Kostengründen die notwendigen Rechenzeiten nie genehmigt bekommen", beschreibt Computerwissenschaftler Klaas Esselink die wirtschaftlichen Sachzwänge. Ein konventioneller Superrechner muß Tag und Nacht von einem eigenen Personalstab betreut und betrieben werden. Hochgezüchtete Kühlsysteme halten den digitalen Kreislauf des Boliden aufrecht und treiben die Betriebskosten in die Höhe. Ein einzelner Lauf auf dem Jumbo schlägt sich mit stolzen 50 000 Mark nieder, während es der Parallelrechner für ein Fünftel tut.

Im Computer der mathematischen Abteilung des KSLA ist von den Superlativen wenig zu sehen: zwei Modul schränke mit Reihen von rhythmisch blinkenden Lichtern eine Sun als Front-end, ein Grafikbildschirm. Sehr unspektakulär ohne besonders Environment arbeitet der Parallelrechner an der Berechnung eine einzelnen Simulationslaufes Etwa eine Woche vergeht, bi sich aus dem statistisch verwertbare Ergebnisse herauskristallisieren

Für die 14 Wissenschafter und Arie Langeveld, Chef dermathematischen Abteilung der KSLA, ist der Parallelrechner die einzig praktikable Möglichkeit, den gegenwärtigen und zum künftigen Rechenbedarf zu bewältigen: "Egal wie schnell die Maschine ist, man nimmt ein fach mehr Prozessoren, und sie ist noch schneller!" Ein Ausbandes 400-Prozessoren-Rechners auf bis zu 1000 Prozessoren ist möglich, ohne daß die parallelisierten Programme neu geschrieben werden müssen.

Numerisch intensive Probleme, wie die Molekularsimulation bei KSLR, eignen sich besonders gut für Berechnungen auf Parallelrechnern. Man kann erwarten, daß die Parallelverarbeitung auch in weniger spektakulären Bereichen Einzug hatten wird.