Simulation: Hornet besteht Stresstests mit Bravour

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HLRS-Höchstleistungsrechner der Universität Stuttgart ist für anspruchsvollste Simulations-Großprojekte bereit: Der im Dezember 2014 installierte Supercomputer Hornet des Höchstleistungsrechenzentrums der Universität Stuttgart (HLRS) hat umfangreiche Stresstests erfolgreich bestanden.

 

Vor Kurzem wurden sechs sogenannte XXL-Projekte durchgeführt, Simulations-Großprojekte aus der Luft- und Raumfahrttechnologie, Planeten- und Klimaforschung, Umweltchemie und anderen Ingenieurwissenschaften, die das Leistungsvermögen des Systems restlos ausreizten. Die Anwendungen waren so angepasst worden, dass die Berechnungen simultan auf die annähernd 100’000 Rechenkerne, über die Hornet verfügt, verteilt wurden. Das Ergebnis stellte sowohl die HLRS-Systemverantwortlichen, als auch die wissenschaftlichen Nutzer mehr als zufrieden: Hornet meisterte die „Burn-In“-Belastungstests mit Bravour und lieferte in allen Bereichen hervorragende Grundlagen für weitere Forschungsarbeiten.

Burn-In Tests sind in der Industrie weit verbreitet. Hierbei werden Bauteile und Geräte im Dauerbetrieb unter hoher Belastung getestet. Es geht darum, im Vorfeld Komponenten zu identifizieren, die im Dauerbetrieb ausfallen würden. Einen ähnlichen Ansatz verfolgte man am HLRS mit dem neu installierten Supercomputer, der in der aktuellen Konfiguration eine Rechenhöchstleistung von 3,8 PetaFlops liefert (3,8 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde). Das Besondere an den Tests: Hornet sollte hochgradig skalierbare Anwendungen abarbeiten, also Programme durchführen, deren Rechenjobs auf möglichst viele der 94.646 verfügbaren Prozessoren verteilt werden. Eine Herausforderung für die Software wie für die Hardware. Doch kein Problem für Supercomputer Hornet.

Weltumspannende Wettersimulation in bisher nicht erreichter Präzision

Wetter- und Klimaforschern der Universität Hohenheim war es beispielsweise erstmals möglich, eine den gesamten Globus umspannende Wettersimulation auf der Nordhalbkugel der Erde in einer bisher nicht erreichten feinen Auflösung mit erstaunlicher Präzision durchzuführen. Bei Berechnungen mit solcher Detailgenauigkeit stießen noch bis vor kurzem selbst Supercomputer an ihre Grenzen. Alleine die erzeugte Datenmenge ist für herkömmliche Bürger kaum vorstellbar: Das gut drei Tage non-stop laufende Experiment lieferte 330 Terabyte an Daten (das entspricht 330 Ein-Terabyte-Festplatten, wie sie in Privathaushalten vorkommen), die von den Wetterforschern der Universität Hohenheim strukturiert ausgewertet werden konnten. Die neuartigen Simulationen tragen dazu bei, komplexe Wolken- und Niederschlagsprozesse besser zu verstehen und zum Beispiel Wetter-Extremsituationen früher im Voraus identifizieren zu können.

Auch Wissenschaftler des Aerodynamischen Instituts der RWTH Aachen hatten die Möglichkeit, Simulationen mit einer bisher nicht realisierbaren Qualität und Genauigkeit durchzuführen, indem sie Hornet exklusiv nur für ihre Anwendung nutzen konnten. Das Ziel der Forscher war es zum Beispiel, die Ursachen für die Geräuschentwicklung in Axiallüftern zu erkennen und diese näher zu analysieren. Aufgrund der detaillierten Auflösung, die diese höchst rechenintensive Simulation erlaubte, war es den Wissenschaftlern möglich, bislang nicht bekannte Mechanismen in der Strömung durch den Lüfter aufzulösen und als geräuschrelevant zu identifizieren. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in die Produktentwicklung der Industrie einfließen und dazu beitragen, dass die lüfterbedingte Geräuschemissionen künftiger Produkte noch weiter reduziert werden können.

Weitere Projekte stammten von folgenden Instituten: Institut für Simulationstechnik und Wissenschaftliches Rechnen der Universität Siegen, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt und Technische Universität Berlin, sowie ein zweites Projekt des Aerodynamischen Instituts der RWTH Aachen. Ebenso konnten Forscher des Instituts für Aerodnamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart für ihr Projekt “Direct Numerical Simulation of a Spatially-Developing Turbulent Boundary Along a Flat Plate” die komplette Maschine für einen 70stündigen Simulationslauf erfolgreich nutzen.

Steigende Nachfrage nach Höchstleistungsrechnen

Die Nachfrage nach Höchstleistungsrechnen ist ungebrochen. Wissenschaftler verlangen immer schnellere Systeme und höher skalierende Software, um hochkomplexe wissenschaftliche und technische Fragestellungen noch besser als bislang angehen zu können. „Verfügbarkeit erzeugt Nachfrage“, erläutert Prof. Dr. Michael M. Resch, Direktor des HLRS. „Wissenschaftler wie auch Experten aus der Industrie erkennen sehr schnell die enormen Vorteile, die ihnen ultraschnelle Höchstleistungsrechner wie Hornet bieten. Solche Supercomputer eröffnen ihnen die Chance, Ergebnisse zu liefern, die vorher unmöglich zu erzielen waren. Wir sind überzeugt davon, dass unsere HPC-Infrastruktur am HLRS im vollen Umfang ausgereizt wird. Hornet wird ein wertvolles Werkzeug für Wissenschaftler in ihrem Bestreben sein, Antworten auf diffizilste Herausforderungen der heutigen Zeit zu finden“, betont Professor Resch.

Nächste Erweiterung schon im Blick

Dem ambitionierten Technologieplan des HLRS zufolge wird am HLRS aktuell bereits die planmäßige Erweiterung von Hornet angegangen. Diese soll noch vor Ende 2015 abgeschlossen sein. Die erwartete Rechenleistung der HPC-Infrastruktur am HLRS wird sich dann auf mehr als 7 Petaflops (7 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde) fast verdoppeln, womit sich Hornet in der Riege der weltweit schnellsten Supercomputer (TOP500) noch weiter nach vorne schieben wird. Schon in der jetzigen Systemkonfiguration belegt der HLRS-Rechner einen beachtlichen 16. Platz (TOP500, November 2014) und ist damit einer der schnellsten Höchstleistungsrechner Europas.

Gefördert werden Hornet wie auch die geplante Systemerweiterung durch das Gauss Centre for Supercomputing (GCS), mit Unterstützung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg.

 

Bild: Der HLRS-Supercomputer Hornet, ein Cray XC40 System, liefert eine Rechenhöchstleistung von 3,8 Petaflops (3,8 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde).

(c) Boris Lehner für HLRS/Universität Stuttgart

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