Deutscher Supercomputer Gebaut und geschraubt

Teuer, hoher Energieverbrauch und risikoreich: Gekaufte Rechner sind nicht besser als die Marke Eigenbau, findet der Informatikprofessor Volker Lindenstruth, und konstruiert kurzerhand selbst, was er braucht. Mit einem Supercomputer für die Uni Frankfurt setzte er Maßstäbe.

von Ingrid Weidner

Wenn Winterstürme über Mitteleu­ropa fegen, fragen sich interessierte Laien, wie diese Phänomene mit dem Klimawandel zusammenpassen. Forscher dagegen erstellen Modelle, füttern ihre Rechner mit Daten und interpretieren die Zeitreihen.
Solche Forschungsmethoden in den Natur­ und Lebenswissenschaften sind ohne Hochleistungsrechner kaum möglich. Die Fragestellungen sind mittlerweile so komplex und vielschichtig, dass sie nur mit enormen Rechnerleistungen zu bewältigen sind. Häufig konkurrieren Wissenschaftler verschiedener Disziplinen um diese knappen Kapazitäten.

Die Goethe-Universität in Frankfurt am Main verfügt über ein eigenes Hochleistungsrechenzentrum. Ungewöhnlich daran ist, dass dort Dr. Volker Lindenstruth, Professor für Hochleistungsrechnerarchitektur, die Technologie selbst entwickelt, die Rechenmaschinen mit einem Team gebaut hat und vom Campus Riedberg aus steuern lässt.

Frickler ohne Chauffeur

Schon als Schüler baute und verkaufte Volker Lindenstruth Computer, um seine Hobbys zu finanzieren, später auch sein Studium, wie er erzählt. Ehrfurcht vor den Rechnerboxen kennt er nicht, dafür hat er schon zu viele auseinandergeschraubt und wieder zusammengebaut. Auch bringt er das nötige Selbstbewusstsein mit, um große, millionenschwere Projekte umzusetzen.

Nach seinem Physikstudium an der Technischen Universität (TU) Darmstadt und der Promotion in Kernphysik an der Universität Frankfurt wechselte der junge Wissenschaftler mit einem Stipendium in der Tasche als Postdoc nach Berkeley, Kalifornien. Trotz Green Card und einem unbefristeten Job zog es ihn und seine Frau nach fünf Jahren wieder zurück nach Deutschland. Hier war seine erste Station ein Lehrstuhl für Technische Informatik an der Universität Heidelberg und die Leitung des dortigen Kirchhoff-Instituts für Physik. Im Oktober 2009 wechselte er als Professor für Hochleistungsrechnerarchitektur an die Goethe-Universität nach Frankfurt.

Mit diesem Wechsel war die Herausforderung verknüpft, einen Hochleistungsrechner für das dortige Forschungsnetz zu bauen. „An der Universität gibt es gewaltige Forschungsprojekte, meistens laufen 70 Projekte aus der Physik, den Geowissenschaften sowie der Wetter­ und Klimaforschung parallel. Fehlen den Kollegen die Rechnerkapazitäten, können sie in der Forschung nicht mehr mithalten“, sagt Lindenstruth.

Vor seinem Wechsel verhandelte der Professor über die Konditionen für den Konstruktion der Rechner. „Viele meiner Kollegen gehen zu einem bekannten IT-Hersteller, sagen, was sie möchten und schließen einen Wartungsvertrag ab. Das ist Variante eins, Autofahren mit Chauffeur“, sagt Lindenstruth, legt eine Pause ein und setzt dann hinzu: „Ich fahre selbst.“

Viel Geld für Dienstleister

IT-Dienstleister verdienen gut am Bau und Betrieb von Rechenzentren, etwa wenn Kunden eine Rechenleistung von einem Petaflop (= eine Billarde Rechenoperationen pro Sekunde) plus Wartungsvertrag möchten und sich zugleich gegen Ausfälle versichern wollen. Teuer ist vor allem die Energie, die für die Kühlung der Prozessoren aufgewandt wird. Verständlicherweise wollten die Verantwortlichen der Universität in den Vorgesprächen wissen, wie Lindenstruth diese Risiken tragen wolle und weshalb selbst gebaute Rechnern besser sein sollten als die eines Dienstleisters.

„Natürlich investieren wir Steuergelder, mit denen wir sorgsam umgehen müssen“, betont Lindenstruth und ergänzt: „Ich bin in der Lage, Risiken zu tragen, ich kann das und ich mache das.“ Garantieren, dass nichts passiert, könne er natürlich nicht – ebensowenig allerdings auch die IT-Dienstleister, die „einen kräftigen Risikozuschlag veranschlagen, aber auch nicht jedes Problem lösen können“.

Seit 2010 steht der Supercomputer der Universität Frankfurt in einer Lagerhalle im Industriepark Höchst. Das 460 Hektar große Areal erfüllt hohe Sicherheitsstandards. Es gibt sowohl Wasser aus dem Main, um das Rechenzentrum zu kühlen, als auch einen Anknüpfungspunkt an das Glasfasernetz, um die Rechnerleistung an die Universitätsinstitute weiterzuleiten. Gesteuert wird das Rechenzentrum am Campus in Riedberg, nur selten müssen vor Ort Prozessoren ausgetauscht werden.

Grafikkarten als Prozessoren

Bereits in anderen Projekten hatte Lindenstruth bewiesen, dass er Hochleistungsrechner konzipieren und bauen kann, die günstig und leistungsstark sind. Eine seiner Idee ist die, Grafikkarten als Prozessoren zu verwenden. Innovativ ist auch, statt einer aufwendigen, energieintensiven Kühlung ein Lüftungssystem zu verwenden, welches das Rechenzentrum mit Wasser kühlt (siehe Interview).

In Riedberg ist auch das Institut, an dem Lindenstruth lehrt und forscht. Dort beschäftigt er mehr als 140 Mitarbeiter, hat den Vorstandsposten des 2004 gegründeten „Frankfurt Institute for Advanced Studies“ (FIAS) inne, das sich als interdisziplinäres Wissenschaftsnetzwerk zur theoretischen Erforschung komplexer Strukturen versteht. Außerdem übernahm Volker Lindenstruth 2010 die Leitung Wissenschaftliche IT am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Langeweile dürfte für Volker Lindenstruth ein Fremdwort sein. Neben Forschung und Entwicklung reserviert er regelmäßig Zeit für Entspannung, in der er weder über den nächsten Supercomputer noch über Kernphysik nachdenkt: „Ich versuche, jeden Tag eine Stunde Klavier zu spielen, das ist mir wichtig.“


INFOKASTEN

Der Superrechner Loewe-CSC

20 Tonnen, 800 Grafikkarten, 300 Teraflops

2010 ging Lindenstruths Hochleistungsrechner an der Goethe-Universität in Frankfurt ans Netz und war der energieeffizienteste Großcomputer Europas. Für den rund 20 Tonnen schweren Rechner hat Volker Lindenstruth rund 800 Grafikkarten verbaut. Der Rechner kann 300 Billionen Berechnungen pro Sekunde durchführen, das sind 300 Teraflops („flops“ steht für „floating point operations per second“). Gerade bereitet Lindenstruth die Anträge für ein noch größeres und leistungsfähigeres Nachwuchsmodell vor.


INTERVIEW

„Irgendwann zu heiß“

FRANKFURT/M. Computer, die schneller rechnen und weniger Energie verbrauchen: Ihr Konstrukteur Prof. Dr. Volker Lindenstruth erklärt die Idee und ihre technische Umsetzung.

duz: Herr Lindenstruth, wie sind Sie auf die Idee gekommen, Grafikkarten als Prozessoren einzusetzen?

Lindenstruth: In der Forschung haben wir immer das Problem, dass zwar Geld für Computer da ist, es aber nicht reicht, um die Projekte umzusetzen, die wir uns vorstellen. Da muss man schon sehr kreativ sein. Ich habe früh gesehen, dass Grafikkarten sehr effiziente Rechenwerke sind. Aber zu der Zeit, als wir damit experimentierten, konnten sie zwar schnell lesen, aber nur langsam schreiben.

duz: Das hat Ihnen nicht weitergeholfen ...

Lindenstruth: Aber mir war klar, dass sich das bald ändern wird. Als leistungsfähigere Grafikkarten auf den Markt kamen, waren sie anfangs sehr teuer. Doch mit den immer komplexeren und bildmächtigeren Computerspielen steigerte sich die Leistungsfähigkeit der Consumer-Grafikkarten enorm, die Preise sanken. Davon haben wir profitiert.

duz: Aber reicht das aus, um die Rechnerkapazitäten zu steigern?

Lindenstruth: Genauso wichtig ist die Software, um das Potenzial der Rechner auszunutzen. Darin steckt auch sehr viel Entwicklungsarbeit. Wir haben uns die Algorithmen angesehen und überarbeitet. Damit konnten wir die Leistungsfähigkeit mindestens um den Faktor 100, manchmal auch um den Faktor 1000 steigern.

duz: Lässt sich die Leistungsfähigkeit beliebig steigern?

Lindenstruth: Ein Prozessor ist wie ein Hochhaus, das können Sie beliebig hoch bauen. Doch haben Sie jeden Tag das Problem, die Leute morgens rein und abends wieder rauszubekommen. Bei Rechnern ist das Problem die Thermik, die Prozessoren werden irgendwann zu heiß. Wenn man die Rechenleistung auf einem Chip steigert, braucht man sehr hoch getaktete Gigahertz-Verbindungen und die verbrauchen sehr viel Strom. Folglich muss man auch die Kühlleistung erhöhen.

duz: Wie haben Sie das Problem gelöst?

Lindenstruth: Ein Rechenzentrum ist nichts anderes als eine Kühlanlage, allerdings sind die meisten äußerst ineffizient. In Deutschland werden durchschnittlich 60 Prozent der Computerleistung nur für die Kühlung verbraucht. 60 Prozent! Ein modernes, nach den neuesten Erkenntnissen gebautes Rechenzentrum verbraucht nur 30 Prozent, der Green Cube weniger als zehn Prozent.

duz: Der Green Cube ist der Superrechner am GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt, mit ihm haben Sie Preise für Umweltfreundlichkeit gewonnen. Wie haben Sie es denn nun geschafft, den Energieverbrauch für die Kühlung zu senken?

Lindenstruth: Der Green Cube, der in Darmstadt steht, kostet 1,50 Euro pro Watt und ist um das Dreifache günstiger als ein normales Rechenzentrum. Das Grundproblem ist, dass ein Computer im Betrieb warme Luft erzeugt. Die Kunst ist nun, diese warme Luft wieder zu kühlen. In klassischen Rechenzentren wird die Luft über Wärmegänge abgesaugt und gekühlt. Aber Luft hat eine schlechte Wärmekapazität, es entstehen große Verluste. Unser Ansatz ist anders: Wir nehmen Wasser zum Kühlen, das eine um den Faktor 4000 höhere Wärmekapazität pro Volumeneinheit aufnehmen kann.

duz: Das heißt ...

Lindenstruth: Wir haben einen Wärmetauscher zur Kühlung entwickelt, der die gesamte Wärme des Computers mit Wasser aus dem Main kühlt. In diesem geschlossenen Kreislauf geht nichts verloren, und es spart enorm viel Strom.

Das Interview führte Ingrid Weidner.



URL:
http://www.duz.de//duz-magazin/2017/02/gebaut-und-geschraubt/416

Copyright:
duz - deutsche Universitätszeitung / Dr. Josef Raabe Fachverlag für Wissenschaftsinformation

Quelle:
duz Magazin 02/17

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