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Größter Supercomputer entsteht mit Dresdner Hilfe

Der Frontier soll 2022 fertig sein. Die neuartige Simulationssoftware für ihn entsteht in Sachsen.

Ein Hochleistungsrechner steht seit einigen Jahren auch an der TU Dresden. Der Frontier, der momentan in den USA gebaut wird, wird um ein Vielfaches schneller sein. Die Software dafür wird in Dresden entwickelt.
Ein Hochleistungsrechner steht seit einigen Jahren auch an der TU Dresden. Der Frontier, der momentan in den USA gebaut wird, wird um ein Vielfaches schneller sein. Die Software dafür wird in Dresden entwickelt. © dpa/Arno Burgi

Sie sind groß, sie sind schnell und sie berechnen komplizierteste Dinge in kurzer Zeit. Überall auf der Welt entstehen Supercomputer, deren enorme Rechenleistung sich vor allem die Wissenschaft zunutze macht. Auch wichtige Erkenntnisse zum Coronavirus lieferten solche Computer in den vergangenen Monaten. Sie berechneten, wie sich das Virus ausbreitet. Sie fahndeten nach bereits existierenden Medikamenten, die gegen Sars-CoV-2 helfen könnten. Sie halfen, Corona besser zu verstehen. In den USA wird gerade ein neuer Gigant gebaut: der Frontier. Wissenschaftler von Casus in Görlitz, dem Zentrum für digitale interdisziplinäre Systemforschung am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), sind daran beteiligt.

Die Leistung dieser Hochleistungsrechner hat sich in den vergangenen Jahren immer weiter gesteigert. Neuestes Ziel sind nun die sogenannten Exascale-Computer. Sie arbeiten noch schneller als bisherige Systeme. Frontier gehört zu diesen Supercomputern der neuesten Generation. Im Jahr 2022 soll er betriebsbereit und der leistungsfähigste Computer der Welt sein. Diverse Forschungszweige erhoffen sich davon verbesserte Anwendungen, zum Beispiel in der Medizin, etwa in der Strahlenbehandlung von Krebs, der Virusforschung oder der Bekämpfung von Alzheimer. Auch für die Untersuchung des Klimawandels oder die Vorhersage ökologischer Einflüsse auf die Artenvielfalt sind solche Rechenkapazitäten von größter Bedeutung.

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Eines von acht Teams

Der Aufbau neuer Supercomputer bedeutet üblicherweise, dass auf das jeweilige Modell zugeschnittene Software geschrieben werden muss. In enger Zusammenarbeit mit den Physikern und Informatikern des HZDR um Alexander Debus, Thomas Kluge und Guido Juckeland hat das Casus-Team von Michael Bussmann mit einheitlichen Computercodes Lösungen entwickelt, die auf nahezu allen Hochleistungsrechnern funktionieren. Mithilfe einer einheitlichen Bibliothek müssen die Codes, die oft mehrere Hunderttausend Programmzeilen lang sind, nicht jedes Mal neu geschrieben werden.

Das reduziert den Aufwand an Programmierarbeit und minimiert die Fehlermöglichkeiten. „Mit unseren Anwendungen haben wir bei den US-Entwicklungslaboren Aufmerksamkeit erregt – so viel, dass wir Zugang zu Prototypen von Exascale-Computern erhalten haben“, beschreibt Bussmann. Diese Vorzugsbehandlung sei den meisten Mitbewerbern verwehrt geblieben. „Wir freuen uns, gemeinsam mit der University of Delaware als eines von nur acht Teams eingeladen worden zu sein, unsere Software auf der neuen Supercomputer-Generation zu testen und anzupassen.“

Die Zusammenarbeit mit der University of Delaware trägt nun erste Früchte: Die Forscher testeten ihre Simulationssoftware PIConGPU erfolgreich auf einer der weltschnellsten Grafikkarten für Hochleistungsrechner – der erst kürzlich erschienenen MI100 des US-amerikanischen Unternehmens AMD. Vor allem für den Bereich der Plasma- und Laserphysik haben die Dresdner Wissenschaftler damit eine extrem vielseitige Simulationssoftware konzipiert.

Hardware der nächsten Generation

Der Code soll etwa bei der Entwicklung zukunftsorientierter Teilchenbeschleuniger für die Strahlentherapie von Krebs, in der Hochenergiephysik oder in der Forschung mit Photonen zum Einsatz kommen. Damit der Simulationscode auf unterschiedlichen Hardware-Typen läuft, ohne ständig angepasst werden zu müssen, verwenden die Forscher Alpaka. Diese Programmbibliothek ermöglicht es, Software nur einmal zu schreiben und anschließend auf unterschiedlichsten Hardware-Systemen auszuführen.

Einer der zentralen nächsten Schritte ist es nun, PIConGPU an Frontier anzupassen. Jan Stephan arbeitet daher an einer Konfiguration von Alpaka auf Hardware der nächsten Generation. Ein weiteres Projekt bei Casus in Görlitz beschäftigt sich mit der Frage, wie die enorme Menge wissenschaftlicher Daten, die die Plasmasimulationen des Frontiers liefern werden, in Zukunft möglichst effektiv und schnell erfasst werden können.

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