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Forschen mit Piz Daint

Der Supercomputer der ETH ist der schnellste in Europa. Was der Piz Daint an einem Tag schafft, dafür braucht ein Heim-PC rund 109 500 Tage oder 300 Jahre. Der Turborechner hat die Petaflop-Marke passiert. Wettersimulationen mit noch höherer Genauigkeit sind für ihn kein Problem.
Sie heissen Tianhe (Milchstrasse), Titan oder Sequoia und sind die schnellsten Computer der Welt. Im weltweiten Ranking der Supercomputer liegt der Piz Daint des Swiss National Supercomputing Centre (CSCS) auf Platz sechs. Benannt nach einem Berg im Val Müstair in den Bündner Alpen, ist er der schnellste Computer Europas. Er steht in Lugano.
 
Schnell und grün
Beim Piz Daint handelt es sich um einen Supercomputer der amerikanischen Firma Cray vom Typ XC30. Die enorme Rechenleistung bezieht das System von Intel-Prozessoren vom Typ Xeon E5. Der Rechner wurde im April 2013 installiert. Anschliessend rüsteten ihn die Techniker des CSCS kräftig auf. Die Systemgrösse wurde von 12 auf 28 Rechenschränke erweitert und damit mehr als verdoppelt.
Zudem erhielt der Turborechner Unterstützung aus der Spiele- und Grafikindustrie. Der Piz Daint wurde mit Grafikprozessoren (GPU) vom Typ NVIDIA Tesla K20X ausgerüstet. Bei jedem Computerknoten wurde ein herkömmlicher Prozessor (CPU) durch einen GPU ersetzt. Die Grafikprozessoren wurden für numerische Operationen optimiert, wodurch sie schneller und energieeffizienter rechnen können. Mit einer Gesamtzahl von 5272 Rechnerknoten kann der Piz Daint Simulationen im Petaflopbereich (1015 Rechenoperationen pro Sekunde) durchführen.
Das Rechnergebäude (links) und das Bürogebäude (rechts) sind über eine Passerelle und einen unterirdischen Tunnel miteinander verbunden. Bild: CSCSDank einer theoretischen Spitzenleistung von 7,79 Petaflops wurde er an der Supercomputing Conference 2013 in Denver, USA, als schnellster Supercomputer ausgezeichnet. Binnen einer Sekunde kann der Piz Daint Milliarden Daten abrufen und analysieren. Das Kommunikationsnetzwerk zwischen den einzelnen Computerknoten ist eine Weltneuheit. Das hybride System soll die Forschenden dabei unterstützen, detailreichere und höher auflösende Simulationen zu rechnen, und das bei deutlich geringerem Energieverbrauch. Der Supercomputer steht in einem unauffälligen, fensterlosen Beton-Kubus, der über eine Passerelle und einen unterirdischen Gang mit dem Bürogebäude des CSCS verbunden ist. Im Januar 2012 wurde mit dem Bau des neuen Rechenzentrums in Lugano- Cornaredo begonnen. Das CSCS am Luganersee zählt zu den energieeffizientesten und ökologisch nachhaltigsten Rechenzentren der Welt. Anstatt auf stromintensive Kälteanlagen zu setzen, wird zur Kühlung der Supercomputer und des Gebäudes das sechs Grad kalte Seewasser genutzt.
Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Simulationen wird auch der Energieverbrauch von Hochleistungsrechnern weiter zunehmen. CSCS-Direktor Thomas Schulthess ist überzeugt, dass sich dieser nur mit einem radikalen Wechsel in der Computerarchitektur im Zaume halten lässt.
 
Komplexe Simulationen
Die weltweite Datenmenge verdoppelt sich derzeit alle zwei Jahre. Anfang 2013 umfasste der globale Datenberg unvorstellbare zwei Zettabyte. Ein Blick auf die Website «The Internet in Real Time» veranschaulicht den Datenverkehr auf den grössten Plattformen und lässt den täglich wachsenden Datenberg nur erahnen. Aber nicht nur im Web, auch in der Wirtschaft und vor allem in der Forschung fallen grosse Datenmengen an, die erfasst, verteilt, gespeichert, durchsucht, analysiert und visualisiert werden müssen. Das Neuroinformatikprojekt Blue Brain (BBP), der Röntgenlaser Swiss FEL und andere Forschungsprojekte in der Meteorologie, Biologie, Nanotechnologie oder Medizin sind für ihre Simulationen auf Hochleistungsrechner angewiesen.
Piz Daint und seine kleineren Brüder Monte Rosa, Tödi, Mönch oder Albis Lema erstellen komplexe Simulationsmodelle und liefern so die Basis für Prognosen und neue Erkenntnisse. Wo herkömmliche Methoden nicht mehr ausreichen, setzen Wissenschaftler auf Supercomputer. Das Schweizer Hochleistungsrechenzentrum fungiert als User-Lab und dient der Wissenschaft und Forschung. Ein unabhängiges Expertenteam prüft die Anträge und erteilt den Zugang zu den begehrten Rechenleistungen. Einzelne Institutionen betreiben im CSCS einen eigenen kleinen Supercomputer. So erstellt Albis Lema für den nationalen Wetterdienst Meteo Schweiz auf Basis globaler Satellitendaten und Daten lokaler Wetterstationen Prognosemodelle für den Alpenraum. Auch Meteorologe Thomas Bucheli nutzt die Berechnungen für seine Prognosen. Der Superrechner Piz Daint kommt allerdings nur dann zum Einsatz, wenn Klimamodelle für die nächsten 10 bis 100 Jahre simuliert werden sollen.
Mit der Erweiterung von Piz Daint setzt die ETH Zürich am CSCS die nationale Hochleistungsrechnen- und Vernetzungsstrategie (HPCN) des ETHRats im Auftrag des Bundes fort. Die HPCN-Strategie wurde 2009 mit dem Ziel gestartet, der schweizerischen Forschungsgemeinschaft einen Supercomputer der Petaflop-Leistungklasse zur Verfügung zu stellen.
 
Joachim Heldt
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