Schnellere Supercomputer durch programmierbare Beschleuniger
Für viele hochmoderne Verbraucher- und Industriedienste, darunter Luftfahrt, Autodesign und Klimamodelle, sind neue Anwendungen des Hochleistungsrechnens (HPC) erforderlich. Um dem steigenden Bedarf an diesen Diensten gerecht zu werfen, sind mehr leistungsstarke Computer zu günstigeren Preisen notwendig. Für einige HPC-Anwendungen stellen Field Programmable Gate Arrays (FPGA), also programmierbare, integrierte Schaltkreise, eine vielversprechende Lösung dar. Diese Beschleuniger können nach der Fertigung programmiert und auf benutzerdefinierte Anwendungen angepasst werden. FPGA sind erheblich leistungsstärker als konkurrierende Prozessoren wie CPU oder GPU, sodass sie für HPC-Anwendungen viele Vorteile bringen. „FPGA sind ausgezeichnet für parallele und spezialisierte Berechnungen geeignet“, erklärt Iakovos Mavroidis, ein Forscher an der Technischen Universität Kreta und Projektkoordinator von OPTIMA. „Sie sind besonders bei parallelen, unregelmäßigen Aufgaben des HPC mit geringer Latenz effektiv, zum Beispiel bei Verschlüsselungsalgorithmen, der Signalverarbeitung und wissenschaftlichen Simulationen“, sagt er. Mavroidis und sein Team haben im Rahmen des OPTIMA-Projekts HPC-Systeme mit FPGA eingesetzt, um eine Reihe an quelloffenen Bibliotheken und industriellen Anwendungen mit erheblich besserer Energieeffizienz zu entwickeln, darunter Modelle zu Fluidströmungen. „Die Entwicklung der Anwendungsfälle in der FPGA-basierten Infrastruktur von OPTIMA war eine Herausforderung, denn wir mussten Flexibilität und effektive Ressourcenverwaltung abwägen, um eine gute Leistung ohne Überlastung der Hardware zu gewährleisten“, ergänzt Mavroidis. „Doch durch sorgfältige Planung, gründliche Tests und Zusammenarbeit zwischen den Teams für FPGA-Design, Hardware und Software konnten wir diese Herausforderungen überwinden.“
FPGA-basierte Beschleuniger integrieren
Das OPTIMA-Team – ein Konsortium aus ganz Europa – prüfte zunächst die Anforderungen an industrielle Anwendungen und bestimmte notwendige Funktionen für die quelloffenen Bibliotheken von OPTIMA. Dann setzten die Forschenden zwei Hardware-Plattformen ein: eine mit vier FPGA-basierten Beschleunigern und eine, die auf der Datenfluss-Engine und dem Programmiermodell von Maxeler basiert. Das Team hat dann auf den FPGA-basierten Plattformen mit der Programmierung begonnen und jeden Aspekt gründlich getestet. Gleichzeitig wurden Optimierungen am System vorgenommen, um es effizienter zu machen. Die Forschenden haben die Aktivitäten dokumentiert und die Arbeit mit der Open-Source-Gemeinschaft geteilt.
Demonstration von Prototypen
Das OPTIMA-Team hat erfolgreich vier HPC-Anwendungen auf zwei FPGA-basierten Prototyp-Beschleunigern entwickelt. Diese Anwendungen umfassen Werkzeuge zur Untergrundanalyse, die leistungsstarken Simulationswerkzeuge „MESHFREE“ und KI-basierte Robotersimulationen – für alle Anwendungen sind enorme Datenmengen und komplexe Aufgaben erforderlich. Das Team hat auch eine quelloffene Bibliothek zu FPGA eingerichtet. Diese umfasst 31 Hardwarekomponenten für grundlegende Operationen der linearen Algebra und Methoden zur computergestützten technischen Problemlösung. Beide sind entscheidend für Anwendungen des künstlichen und maschinellen Lernens. „Wir konnten bei OPTIMA zeigen, dass HPC-Systeme mit FPGA-basierten Technologien für die Industrie verbessert werden können“, sagt Mavroidis. Da die Bibliothek öffentlich zugänglich ist, können Entwicklerteams Anwendungen und Legacy-Code einfach in FPGA-gestützte HPC-Systeme übertragen. Das Projekt wurde mit Unterstützung des Gemeinsamen Unternehmens für europäisches Hochleistungsrechnen (GU EuroHPC) durchgeführt, einer Initiative, die zur Entwicklung eines Ökosystems für Hochleistungsrechnen von Weltrang in Europa gegründet wurde. „Das Projekt OPTIMA ist im Sinne des Ziels des GU EuroHPC, Europa als Spitzenreiter im HPC zu positionieren. Es ist ein gutes Beispiel für ein EuroHPC-Projekt, das von kleinen Unternehmen durchgeführt wird“, so Mavroidis.
Schnelleres Unternehmertum
Das Team erwartet, dass die quelloffene OPTIMA-Bibliothek weiter wachsen wird und eine wertvolle Ressource für die Softwareentwicklung wird, um Anwendungen für FPGA-gestützte HPC-Plattformen zu optimieren. Das Fachwissen durch die Anpassung der Anwendung an die OPTIMA-Plattform wird jetzt von den Partner-KMU umgesetzt. Unter anderem werden neue Anwendungen für fortschrittliche Cloud-Systeme, KI-Beschleuniger, GPU und andere Chipdesigns entworfen.
Schlüsselbegriffe
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