Das Leibniz-Rechenzentrum erforscht, was morgen die Grundlage der Wissenschaft sein kann – die Technologien für kommende Supercomputer.
An Rechenleistung ist am Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (LRZ) wahrlich kein Mangel. Alleine „SuperMUC-NG“, aktuell unter den 15 schnellsten Supercomputern der Welt, bringt es mit über 300.000 Rechenkernen auf mehr als 26 PFLOPS Peak-Performance. Doch die Anforderungen von Forschern ändern sich, ihre Fragestellungen werden komplexer, die Datenmengen werden größer. Immer mehr Forschungsbereiche nutzen Supercomputing-Ressourcen. Die Technologie als Hilfsmittel muss dies widerspiegeln. Am LRZ machen sich Experten daher bereits heute Gedanken über die kommende Generation von Supercomputern, um auf Anforderungen und Bedürfnisse der Nutzer optimal vorbereitet zu sein. Dazu wurde das Programm BEAST (Bavarian Energy-, Architecture- and Software-Testbed) ins Leben gerufen.
Die Bandbreite an Technologien im HPC-Umfeld ist so groß wie nie. CPUs, GPUs, und FPGAs – alle haben ihre Vor- und Nachteile. Auch ARM-Prozessoren, den meisten Anwendern vor allem aus Smartphones und Automotive-Systemen bekannt, haben im HPC Fuß gefasst. Immerhin ist der derzeit schnellste Supercomputer der Welt, Fugaku in Japan, mit ARM-Technologie ausgestattet. Aber welche Technologie mit welchem Ansatz den Ansprüchen der Forschung am besten gerecht wird, ist nicht immer eindeutig zu sagen.
Mit BEAST baut das LRZ eine Testumgebung auf, die die Antworten darauf liefern soll – dabei immer im Blick: Die Energieeffizienz der Systeme. Bereits installiert sind drei unterschiedliche Teil-Systeme: Zum einen wurden Knoten auf Basis aktueller AMD-Rome-Prozessoren mit MI50-GPUs des gleichen Herstellers installiert. Neben dieser x86-Architektur wurden zudem Knoten mit den auf ARM basierenden Prozessoren Marvell-ThunderX2 implementiert, die durch Nvidia-GPUs vom Typ Tesla-V-100 unterstützt werden. Der jüngste Zugang: Der ebenfalls auf ARM-basierende Fujitsu-Prozessor A64FX. Diese CPU kommt auch bei Fugaku zum Einsatz.
„Unser Ziel von BEAST ist es, Technologien zu evaluieren, und den besten Mix für unsere künftigen Supercomputer zu finden“, erläutert Dr. Josef Weidendorfer, der am LRZ das Thema Future-Computing leitet. „Es geht dabei darum, herauszufinden, welche Technologien für HPC und KI interessant sind und nicht zuletzt zu den Codes passen, die unsere Anwender nutzen.“ Die verschiedenen Technologien werden deswegen nicht als ein heterogenes System betrieben, sondern sollen vielmehr nebeneinander den Vergleich der Ansätze in derselben Umgebung und mit den gleichen Benchmarks ermöglichen. Diese Benchmarks hat das LRZ aus den Anwendungen entwickelt, die aktuell auf SuperMUC-NG laufen. Dazu wurden aus den über 100 Projekten, die derzeit Rechenzeit verwenden, typische Beispiele ausgewählt und zusammengestellt.
Der weitere Ausbau von BEAST ist bereits geplant. So sollen kurzfristig CPUs der aktuellen Intel-Xeon-Reihe (Cooper Lake und Ice Lake) in Dienst gestellt werden. Hier wurden laut Weidendorfer einige neue Merkmale wie 16-Bit-Float (Bfloat16) für Gleitkommaoperationen implementiert, mit dem KI-Anwendungen signifikant beschleunigt werden können. Mittelfristig ist auch die Evaluierung von exotischeren Architekturen, wie FPGAs oder neuromorphen Ansätzen, geplant. „Das ist aber sehr komplex. FPGAs werden auf den jeweiligen Einsatzzweck und Workload konfiguriert, womit es sich sehr von der klassischen Software-Entwicklung unterscheidet. Hier ist eine besondere Expertise gefragt.“ Welches Potenzial FPGAs im HPC-Umfeld haben, wird derzeit in einigen Forschungsprojekten und auch am LRZ untersucht.
Der Zugang zum BEAST-Programm wird ausgewählten LRZ-Partnern aus der Wissenschaft gewährt. „Gemeinsam mit unseren Partnern sind wir in der Lage, moderne Hardware und Software für Anwendungen und Workloads zu erforschen und zu evaluieren“, so Weidendorfer. „Dies gibt uns wertvolles Feedback und Verständnis dafür, was unsere Nutzer:innen von zukünftigen Systemen erwarten, während unsere Partner gleichzeitig einen besseren Einblick in zukünftige Technologien erhalten.“ Das BEAST-Programm wird auch bei der Ausbildung und Schulung der heutigen Studierenden und zu-künftigen Experten helfen. Mit Praktika an den Münchner Universitäten können sich angehende Informatiker:innen in diese Technologien einarbeiten und Kontakte zu Forschung und Industrie knüpfen.
