Innovative Supercomputerarchitekturen für bessere Energieeffizienz
Die moderne Gesellschaft wird immer abhängiger, und das nicht nur von Verbraucherelektronik wie etwa Smartphones, sondern auch von umfangreichen Rechenoperationen, die von immer schnelleren Supercomputern durchgeführt werden. Sei es die Wettervorhersage oder die Fertigung der perfekten Windkraftanlage oder kraftstoffeffizientere Fahrzeuge - es werden riesige Supercomputer benötigt, die aus Tausenden von kleineren Rechnern bestehen, um die erforderlichen, äußerst komplexen Aufgaben zu bewältigen. Computer in Wohnungen, am Arbeitsplatz und in Rechenzentren verbrauchen derzeit 15 % des weltweiten Bedarfs an elektrischer Energie und dieser Anteil steigt weiter an, da sich die Technik schnell weiterentwickelt. FIPS möchte das Hochleistungsrechnen energieeffizienter machen, indem traditionelle hochleistungsstarke Prozessoren mit alternativen Prozessoren kombiniert werden, die in der Lage sind, die einfacheren Rechenoperationen einer Aufgabe zu bewältigen und dadurch die Gesamtnachfrage des Systems nach Energie reduzieren. „Unser Ziel ist, im Durchschnitt um 30 % energieeffizienter zu sein als alles andere, was bis heute erreicht wurde“, sagte Domenik Helms, Manager des Technologie-Clusters bei OFFIS und FIPS-Koordinator. „Es geht nicht nur um die Senkung der CO2-Emissionen, sondern um die höhere Leistung. Je energieeffizienter die Rechenoperationen sind, umso mehr können wir sie uns leisten.“ Neuer Supercomputertyp wird gebaut Das FIPS-Team baut an einer neuen Art des Superrechners. Dabei wird das Leistungs-Watt-Verhältnis optimiert, indem energiesparendere Alternativen wie etwa Smartphoneprozessoren, 3D-Grafikchips und programmierbare Universalschaltkreise (FPGA, Field-Programmable Gate Arrays), die in Modems und Netzwerkswitches zum Einsatz kommen, verwendet werden. Da ein typisches Supercomputing-Programm aus einer riesigen Anzahl von kleinen Jobs besteht, können einige von diesen auf den alternativen Architekturen laufen, wodurch die Anzahl von energieintensiven Hochleistungsprozessoren, die für den Job benötigt werden, reduziert wird. Um Programmierungsschwierigkeiten zu lösen, die aus so vielen verschiedenen Prozessoren entstehen, hat FIPS auch eine neue Methodik entworfen, bei der eine einzelne Programmiersprache ausreicht, damit das Hochleistungsrechenprogramm die Aufgabe ausführt. Das Programm sagt überdies die benötigte Zeit und den Energieverbrauch voraus. Anwendung der Methodik bei der Analyse des menschlichen Genoms bei gleichzeitiger Energieeinsparung Die Methode von FIPS wurde bereits erfolgreich angewendet, um Milliarden von Daten für eine Bibliothek zur Ausrichtung menschlicher DNA-Sequenzen mithilfe alternativer FGPA zu analysieren.Die in dem Projekt entwickelten Werkzeuge unterstützten die Entwickler in allen Aspekten ihrer Arbeit, von der Identifizierung und Charakterisierung der Rechenkerne bis hin zur Konfiguration der Hardware. Die Leistung von 0,8 Giga-Zell-Updates pro Sekunde (Giga cell updates per second, GCUPS) pro Watt erwies sich als fast 1,3 Mal energieeffizienter, als wenn die gleiche Aufgabe mit Grafikkarten der Spitzenklasse durchgeführt wird, und fast 100 Mal effizienter als beim Einsatz herkömmlicher Prozessoren. „Es gibt heute keine Maschine, die die gesamte DNA entschlüsseln kann, und die Aufgabe hier war nicht, es so schnell wie möglich, sondern so energieeffizient wie möglich zu realisieren, ohne Geld zu verschwenden. Wir wussten, dass wir besser sein könnten, aber die doppelte Energieeffizienz für diese Anwendung war ein echter Erfolg“, kommentierte Dr. Helms. „Jetzt ist das Ziel des Projekts die Erweiterung der Zahl der Anwendungen, an denen wir die Methodik testen, und das Anlocken von Investitionen, um es auf den Markt zu bringen“, fügte er hinzu. An FIPS beteiligen sich neun Partner in sechs EU-Ländern, es läuft bis September 2016 und wird mit 3 Mio. EUR aus dem RP7 unterstützt.
Schlüsselbegriffe
FIPS, High Performance Computing, Hochleistungsrechnen, HPC, DNA, Energieeffizienz, Supercomputing, FPGAs
