High Performance Computing in der Cloud

Während Big Data und Machine Learning in aller Munde sind, führt High Performance Computing (HPC) in der breiten Öffentlichkeit eher ein Schattendasein – zu Unrecht.

„High Performance Computing hat die jüngsten Entwicklungen und Erfolge in den Bereichen Maschinelles Lernen und Big Data erst ermöglicht“, so Forscher des Fraunhofer-Instituts für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI in Sankt Augustin.

HPC-Lösungen unterstützen komplexe Analysen und Simulationen durch Hochleistungsrechnen, also insbesondere durch eine enorme Rechenleistung und hohe Fehlertoleranz, die mit klassischen Arbeitsplatzrechnern und Servern in einem Unternehmen kaum erreicht werden können.

Wie schnell HPC werden kann, hängt von der Konfiguration des Rechnersystems ab, von den Clustern und Prozessoren, vom Speicher, der Vernetzung, der Software und dem Betriebssystem, den Applikationen und der Komplexität der Aufgaben. Die 500 schnellsten Computer der Welt liefern inzwischen mindestens 1 PetaFLOPS, das sind eine Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde.

High Performance Computing ist für die Wettbewerbsfähigkeit von Wissenschaft und Wirtschaft unerlässlich, so der Digitalverband Bitkom. Ohne detaillierte Simulationen sei moderne Forschung und Entwicklung undenkbar. Das gilt auch für Schlüsselbereiche der deutschen Wirtschaft, wie Bitkom unterstreicht. Ob elek­tronische Geräte, Autos, Flugzeuge, moderne Medikamente oder neuartige Operationsverfahren, sie alle basieren auf Erkenntnissen aus Simulationen.

Wie sich Hochleistungsrechnen in der Praxis einsetzen lässt, zeigt zum Beispiel der Übertragungsnetzbetreiber Tennet TSO. Gemeinsam mit Experten des Jülich Supercomputing Centre (JSC) wurde ein spezielles Computersystem entwickelt. Es soll dazu beitragen, das über Jahrzehnte gewachsene Stromnetz an die Anforderungen durch die Energiewende anzupassen. Der Netzbetreiber nutzt für den Ausbau Computersimulationen der Lastflüsse im Stromnetz, die sich mit dem neuen System um das über 30-Fache beschleunigen lassen.

Tennet TSO mit Sitz in Bayreuth ist eines von vier Unternehmen in Deutschland, die für den Betrieb des überregionalen Stromnetzes zuständig sind. Experten des JSC haben in einer dreijährigen Kooperation mit Tennet ein hybrides Rechnersystem entwickelt: Das „Smart Performance Cluster“ ist speziell auf die vom Unternehmen eingesetzten Anwendungen zugeschnitten und stellt Ressourcen für Windows- und Linux-Software unter einer Ober­fläche bereit.

„Mit dem neu entwickelten System sind wir in der Lage, zahlreiche Berechnungen parallel auszuführen. Dadurch bleibt mehr Zeit, die Berechnungsergebnisse in weiteren Dimensionen zu analysieren und neue Erkenntnisse zu erhalten. Zudem sind manche Berechnungen überhaupt erst durch die Einführung des neuen Systems möglich geworden, weshalb wir die Kooperation mit dem JSC als außerordentlich erfolgreich bewerten“, erklärt Stefan Schuh, der seitens Tennet für die Kooperation verantwortlich ist.

Mit der bisherigen Technik – die Simulations-Software lief auf klassischen Servern – wäre die dazu notwendige massive Steigerung der Rechenleistung nicht zu realisieren gewesen, auch aufgrund der Komplexität des deutschen Energiesystems, die im Zuge der Energiewende enorm gestiegen ist.

Gemeinsam mit einem IT-Dienstleister und Entwicklern der Simulations-Software haben die Experten des JSC die Tennet-Anwendungen für die parallele Bearbeitung durch eine Vielzahl von Prozessoren angepasst und einen Parallelrechner mit intelligenter Ressourcenverwaltung auf die Anforderungen des Bayreuther Unternehmens abgestimmt, mit dem sich die Simulationen und weitere Anwendungen signifikant beschleunigen lassen.