Supercomputer

Der Columbia-Supercomputer der NASA mit 20x 512 Intel-Itanium-2-Prozessoren

Logik-Recheneinheit des Cray-1-Rechners

Als Supercomputer werden die schnellsten Rechner ihrer Zeit bezeichnet. Dabei ist es unerheblich, auf welcher Bauweise der Rechner beruht. Ein typisches Merkmal eines modernen Supercomputers ist seine große Anzahl an Prozessoren, die auf gemeinsame Peripheriegeräte und einen teilweise gemeinsamen Hauptspeicher zugreifen können. Supercomputer werden häufig für Computersimulationen im Bereich des Hochleistungsrechnens eingesetzt.

Aufbau

Da sich nicht beliebig schnelle Prozessoren bauen lassen, sind alle Hochleistungsrechner Parallelrechner. Ein Parallelrechner ist ein Computer, in dem Operationen gleichzeitig auf mehrere CPUs verteilt werden, um die Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen. Für die optimale Nutzung eines Supercomputers muss die Programmierung deshalb möglichst genau auf die einzelnen, parallel arbeitenden Prozessoren abgestimmt werden.

Supercomputer werden heute zumeist als Skalarrechner oder Vektorrechner konzipiert. Sie basieren auf unterschiedlichen Prozessorarchitekturen. Vektorprozessoren (auch Vektorrechner oder Array-Prozessoren genannt) führen eine Berechnung gleichzeitig auf vielen Daten (in einem Vektor bzw. Array) aus. Skalarprozessoren können dagegen nur ein Operandenpaar pro Befehl bearbeiten. Skalarrechner basieren daher oft auf Tausenden von Standardprozessoren, die miteinander vernetzt sind (Computercluster).

Ursprünglich wurde die herausragende Rechenleistung durch maximale Ausnutzung der verfügbaren Technik erzielt, indem Konstruktionen gewählt wurden, die für größere Serienproduktion zu teuer waren (z.B. Flüssigkeitskühlung, exotische Bauelemente und Materialien, kompakter Aufbau für kurze Signalwege), die Zahl der Prozessoren war eher gering. Seit geraumer Zeit etablieren sich vermehrt so genannte Cluster, bei denen eine große Anzahl von (meist preiswerten) Einzelrechnern zu einem großen Rechner vernetzt werden. Im Vergleich zu einem Vektorrechner besitzen die Knoten in einem Cluster eigene Peripherie und ausschließlich einen eigenen, lokalen Hauptspeicher. Cluster verwenden Standardkomponenten, deshalb bieten sie zunächst Kostenvorteile gegenüber Vektorrechnern. Sie erfordern aber einen weit höheren Programmieraufwand. Es ist abzuwägen, ob die eingesetzten Programme sich dafür eignen, auf viele Prozessoren verteilt zu werden. Verwendete Programmiersprachen sind unter anderem Fortran und C.

Eng verbunden mit dem Begriff Supercomputer ist die Firma Cray. Sie ist benannt nach ihrem Gründer Seymour Cray und stellte ihren ersten Supercomputer in den 1970er Jahren her. Der erste offiziell installierte Supercomputer Cray-1 schaffte 1976 130 MegaFLOPS. (Zum Vergleich: ein normaler PC kann heutzutage mehrere GigaFLOPS ausführen.)

Einsatzzweck von Supercomputern

Die Herstellungskosten eines Supercomputers aus der TOP10 bewegen sich derzeit in einem sehr hohen zweistelligen, oftmals bereits dreistelligen Euro-Millionenbetrag. Nach oben sind dabei keine Grenzen gesetzt. Für den in Planung stehenden neuen Supercomputer im Bereich um 10 PFLOPS werden derzeit fast 700 Millionen Euro veranschlagt. Bei diesen enormen Investitionssummen stellt sich zwangsläufig die Frage, wofür diese sehr teuren Geräte benötigt werden und ob sich die Investition in die Entwicklung eines solchen Gerätes, außer aus reinen Prestigegründen, rentiert.

Die heutigen Supercomputer werden überwiegend zu Simulationszwecken eingesetzt. Je realitätsnäher eine Simulation komplexer Zusammenhänge wird, desto mehr Rechenleistung wird in der Regel benötigt. Ein Vorteil der Supercomputer ist, dass sie durch ihre extrem schnelle und damit große Rechenleistung immer mehr Interdependenzen berücksichtigen können. Dies erlaubt das Einbeziehen weiterreichender, oftmals auch unscheinbarer Neben- oder Randbedingungen zur eigentlichen Simulation und gewährleistet dadurch ein immer aussagekräftigeres Gesamtergebnis.

Die derzeitigen Haupteinsatzgebiete der Supercomputer umfassen dabei die Bereiche Biologie, Chemie, Geologie, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Wettervorhersage, Klimaforschung, Militär und Physik.

Im militärischen Bereich haben Supercomputer es z.B. ermöglicht, neue Atombombenentwicklungen durch Simulation, ohne Stützdaten durch weitere unterirdische Atombombenversuche, durchzuführen. Die Bereiche kennzeichnen sich dadurch, dass es sich um sehr komplexe Systeme bzw. Teilsysteme handelt, die in weitreichendem Maße miteinander verknüpft sind. So haben Veränderungen in dem einen Teilsystem meist mehr oder minder starke Auswirkungen auf benachbarte oder angeschlossene Systeme. Durch den Einsatz von Supercomputern wird es immer leichter möglich, viele solcher Konsequenzen zu berücksichtigen oder sogar zu prognostizieren, wodurch bereits weit im Vorfeld etwaige Gegenmaßnahmen getroffen werden könnten. Dies gilt z.B. bei Simulationen zum Klimawandel, der Vorhersagen von Erdbeben oder Vulkanausbrüchen sowie in der Medizin bei der Simulation neuer Wirkstoffe auf den Organismus. Solche Simulationen sind logischerweise, ganz unabhängig von der Rechenleistung, nur so genau, wie es die programmierten Parameter bzw. Modelle zur Berechnung zulassen. Die enormen Investitionsummen in die stetige Steigerung der FLOPS und damit die Entwicklung von immer schnelleren Supercomputern werden vor allem mit den Nutzenvorteilen und dem eventuellen „Wissensvorsprung“ für die Menschheit gerechtfertigt, weniger aus den Aspekten des allgemeinen technischen Fortschritts.

Ausgewählte Supercomputer

Aktuelle Supercomputer

Die schnellsten Supercomputer nach Leistung werden heutzutage halbjährlich in der Top-500 Liste aufgeführt. Als Bewertungsgrundlage dient der Linpack-Benchmark.

Die schnellsten Supercomputer auch nach Energieeffizienz bzw. MFLOPS/W werden seit November 2007 in der Green500-Liste geführt. Hierbei führen derzeit Server mit Blue-Gene/P-Chips die Liste an, bei denen ein einziger Blue-Gene/P-Chip über jeweils vier niederfrequente (850 MHz) PowerPC-450-Prozessoren verfügt. ^[1]

Ausgewählte aktuelle Supercomputer (weltweit)

Name	Standort	TeraFLOPS	Konfiguration	Zweck
K computer	Advanced Institute for Computational Science (Japan)	10.510,00	88.128 SPARC64-VIII 8-Core-Prozessoren (2,00 GHz)	Chemische und physikalische Berechnungen
Tianhe-1A	National Supercomputer Center (Tianjin, China)	2.256,60	14.336 Intel 6-Core-Xeon X5670 CPUs (2,93 GHz) und 7.168 Nvidia Tesla M2050 GPGPUs, 224 TB RAM	Chemische und physikalische Berechnungen (z.B. Untersuchungen von Erdöl und Flugzeugentwicklung)
Cray XT5 (Jaguar)	Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge nahe Knoxville, Tennessee, USA)	1.759,00	37.538 AMD 6-Core-Prozessoren (2,6 GHz), 300 TB RAM	Entwicklung neuer Energiequellen, Technologien und Materialien
Dawning Nebulae	National Supercomputing Centre, (Shenzhen, China)	1.271,00	Hybridsystem aus 55.680 Intel Xeon-Prozessoren (2,66 GHz) und 64.960 Nvidia Tesla GPGPU (1,15 GHz)	Meteorologie, Finanzwirtschaft u.a.
IBM Roadrunner	Los Alamos National Laboratory (New Mexico, USA)	1.105,00	6.000 AMD Dual-Core-Prozessoren, 13.000 IBM Cell-Prozessoren	Physikalische Simulationen (z. B. Atomwaffensimulationen)
JUGENE	Forschungszentrum Jülich (Deutschland)	825,50	294.912 PowerPC 450 Prozessoren 850 MHz (IBM Blue Gene/P), 144 TB RAM	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
SGI-Altix	NASA (USA)	487,00	51.200 4-Core-Xeon, 3 GHz	Weltraumforschung
BlueGene/L	Lawrence Livermore National Laboratory Livermore (USA)	478,20	212.992 PowerPC 440 Prozessoren 700  MHz , 73.728 GB RAM	Physikalische Simulationen
Blue Gene Watson	IBM Thomas J. Watson Research Center (USA)	91,29	40.960 PowerPC 440 Prozessoren	Forschungsabteilung von IBM, aber auch Anwendungen aus Wissenschaft und Wirtschaft
ASC Purple	Lawrence Livermore National Laboratory Livermore (USA)	75,76	12.208 Power5 CPUs, 48.832 GB RAM	Physikalische Simulationen (z. B. Atomwaffensimulationen)
MareNostrum	Universitat Politècnica de Catalunya (Spanien)	63,63	10.240 PowerPC 970MP 2,3 GHz, 20,4 TB RAM	Klima- und Genforschung, Pharmazie
Columbia	NASA Ames Research Center (Silicon Valley, Kalifornien, USA)	51,87	10.160 Intel Itanium 2 Prozessoren (Madison Kern)	Klimamodellierung, astrophysikalische Simulationen
Albert2	BMW Sauber F1 Team / Hinwil (Schweiz)	12,20	512 CPU Intel Xeon 5160-Prozessoren (DualCore) 1.024 Kerne, 2.048 GB RAM	Computergestützte Strömungssimulation (CFD)

Ausgewählte aktuelle Supercomputer (deutschlandweit)

Name	Standort	TeraFLOPS	Konfiguration	TB RAM	Zweck
JUGENE	Forschungszentrum Jülich	825,50	294.912 PowerPC 450 Prozessoren 850 MHz (IBM Blue Gene/P)	144	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
JUROPA	Forschungszentrum Jülich	274,80	26.304 Intel Core i7 (Nehalem-EP) 4-Core, 2,93 GHz Prozessoren	52	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
HLRN-II (SGI Altix ICE/XE)	Zuse-Institut Berlin, Rechenzentrum der Universität Hannover	250,00	21.248 Cores Intel Xeon Harpertown 3,0 GHz und Nehalem-EP 2,93 GHz	76	Physik, Chemie, Umwelt- und Meeresforschung, Ingenieurwissenschaften
HLRE 2	Deutsches Klimarechenzentrum Hamburg	144,00	8064 IBM Power6 Dual Core CPUs, 6 Petabyte Disk	20	Klimamodellierung
Komplex MPI 2	RWTH Aachen	103,60	176 Knoten mit insgesamt 1.408 Intel Xeon 2,3 GHz 8-Core-Prozessoren	22	Wissenschaftliche Anwendungen
HPC-FF	Forschungszentrum Jülich	101,00	2160 Intel Core i7 (Nehalem-EP) 4-Core, 2,93 GHz Prozessoren	24	europäische Fusionsforschung
HLRB II	LRZ Garching	56,52	9.728 CPUs 1,6 GHz Intel Itanium 2 (Montecito Dual Core)	39	Naturwissenschaften, Astrophysik und Materialforschung
HP XC4000	Höchstleistungsrechner-Kompetenzzentrum Baden-Württemberg (hkz-bw), Karlsruhe	15,00	AMD Opteron	12	Physikalische Simulationen
SGI Altix 4700	TU Dresden	13,10	2048 Cores Intel Itanium II Montecito 1,6 GHz	7	Naturwissenschaften, Biologie
HHLR (Hessischer Hochleistungsrechner)	Technische Universität Darmstadt	10,80	576 IBM Power6-Kerne, 4,7 GHz		Wissenschaftliche Anwendungen
NEC SX8/576M72	Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS)	8,92	576 CPUs NEC SX-8, 2 GHz	10	Ingenieurwissenschaftliche Anwendungen, Physik, Chemie, Lebenswissenschaften, Nutzung durch Industrie
CHiC Cluster (IBM x3455)	TU Chemnitz	8,21	2152 Cores aus 1076 Dual Core 64 bit AMD Opteron 2218 (2,6 GHz)		Modellierung und numerische Simulation
IBM eSeries p5 575-Knoten	Rechenzentrum Garching (MPG/IPP)	4,56	688 CPUs 1,7 GHz Power5	3	Physikalische Simulationen, z. B. die Millennium-Simulation
IBM eSeries p5 575-Knoten	Deutscher Wetterdienst	2,75	416 CPUs 1,9 GHz Power5
ARMINIUS	Paderborn Center for Parallel Computing, Universität Paderborn	2,56	200 Dual Intel Xeon 3,2 GHz und 4 GB RAM, 16 Dual AMD Opteron je 2,2 GHz und 8 GB RAM	1
ALiCEnext	Bergische Universität Wuppertal	2,08	1024 CPUs 1,8 GHz Opteron		Wissenschaftliche Anwendungen

Historisch schnellste Supercomputer ihrer Zeit

Nachfolgende Tabelle listet einige der schnellsten Supercomputer ihrer jeweiligen Zeit auf:

Graph zur Rechengeschwindigkeit von Supercomputern, logarithmisch, mit annähernder Moore-Kurve

Jahr	Supercomputer	Spitzengeschwindigkeit bis 1959 in OPS ab 1960 in FLOPS	Ort
1906	Babbage Analytical Engine, Mill	0,3	RW Munro, Woodford Green, Essex, England
1928	IBM 301[1]	1,7	verschiedene Orte weltweit
1931	IBM Columbia Difference Tabulator[2]	2,5	Columbia University
1942	Atanasoff-Berry Computer (ABC)	30,0	Iowa State University, Ames (Iowa), USA
	TRE Heath Robinson	200,0	Bletchley Park, Milton Keynes, England
		1.000,0	entspricht 1 kilo-OPS
1943	Flowers Colossus	5.000,0	Bletchley Park, Milton Keynes, England
1946	UPenn ENIAC (vor den Modifikationen von 1948+)	50.000,0	Aberdeen Proving Ground, Maryland, USA
1954	IBM NORC	67.000,0	U.S. Naval Proving Ground, Dahlgren, Virginia, USA
1956	MIT TX-0	83.000,0	Massachusetts Inst. of Technology, Lexington, Massachusetts, USA
1958	IBM SAGE	400.000,0	25 U.S. Air Force-Stützpunkte in den USA und ein Ort in Kanada (52 Computer)
1960	UNIVAC LARC	500.000,0	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
		1.000.000,0	entspricht 1 MFLOPS, 1 Mega-FLOPS
1961	IBM 7030 "Stretch"	1.200.000,0	Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA
1964	CDC 6600	3.000.000,0	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
1969	CDC 7600	36.000.000,0
1974	CDC STAR-100	100.000.000,0
1975	Burroughs ILLIAC IV	150.000.000,0	NASA Ames Research Center, Kalifornien, USA
1976	Cray-1	250.000.000,0	Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA (weltweit über 80 Mal verkauft)
1981	CDC Cyber 205	400.000.000,0	verschiedene Orte weltweit
1983	Cray X-MP/4	941.000.000,0	Los Alamos National Laboratory; Lawrence Livermore National Laboratory; Battelle; Boeing
		1.000.000.000,0	entspricht 1 GFLOPS, 1 Giga-FLOPS
1984	M-13	2.400.000.000,0	Scientific Research Institute of Computer Complexes, Moskau, UdSSR
1985	Cray-2/8	3.900.000.000,0	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
1989	ETA10-G/8	10.300.000.000,0	Florida State University, Florida, USA
1990	NEC SX-3/44R	23.200.000.000,0	NEC Fuchu Plant, Fuchū, Japan
1993	Thinking Machines CM-5/1024	65.500.000.000,0	Los Alamos National Laboratory; National Security Agency
	Fujitsu Numerical Wind Tunnel	124.500.000.000,0	National Aerospace Laboratory, Tokio, Japan
	Intel Paragon XP/S 140	143.400.000.000,0	Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
1994	Fujitsu Numerical Wind Tunnel	170.400.000.000,0	National Aerospace Laboratory, Tokio, Japan
1996	Hitachi SR2201/1024	220.400.000.000,0	Universität Tokio, Japan
1996	Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048	368.200.000.000,0	Center for Computational Physics, University of Tsukuba, Tsukuba, Japan
		1.000.000.000.000,0	entspricht 1 TFLOPS, 1 Tera-FLOPS
1997	Intel ASCI Red/9152	1.338.000.000.000,0	Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
1999	Intel ASCI Red/9632	2.379.600.000.000,0
2000	IBM ASCI White	7.226.000.000.000,0	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
2002	NEC Earth Simulator	35.860.000.000.000,0	Earth Simulator Center, Yokohama-shi, Japan
2004	SGI Project Columbia	42.700.000.000.000,0	Project Columbia, NASA Advanced Supercomputing Facility, USA
	IBM BlueGene/L	70.720.000.000.000,0	U.S. Department of Energy/IBM, USA
2005	IBM BlueGene/L	136.800.000.000.000,0	U.S. Department of Energy/U.S. National Nuclear Security Administration, Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
		1.000.000.000.000.000,0	entspricht 1 PFLOPS, 1 Peta-FLOPS
2008	IBM Roadrunner	1.105.000.000.000.000,0	U.S. Department of Energy/U.S. National Nuclear Security Administration, Los Alamos National Laboratory
2010	Tianhe-1A	2.507.000.000.000.000,0	National Supercomputer Center in Tianjin
2011	K Computer	8.162.000.000.000.000,0	Advanced Institute for Computational Science, Japan

Trivia zu Leistungen von Supercomputern

• Meilensteine
  • 1997: Deep Blue 2 (Hochleistungsrechner von IBM) schlägt als erster Computer einen Schachweltmeister in einem offiziellen Zweikampf.
  • 2002: Yasumasa Kanada bestimmt die Kreiszahl Pi mit einem Hitachi SR8000 der Universität Tokio auf 1,24 Billionen Stellen genau.
  • 2007: Intels Desktopprozessor Core 2 Quad Q6600 schafft ca. 38,40 GFLOPS und hat damit Supercomputerniveau der frühen 1990er Jahre.^[2]
  • 2011: Intels Desktopprozessor i7-975 schafft zwischen 42,56 GFLOPS bei einer Taktung von 2,66 GHz und 55,36 GFLOPS bei einer Taktung von 3,46 GHz im Boost-Modus und erreicht damit fast die Leistung des Supercomputers Thinking Machines CM-5/1024 aus dem Jahre 1993. ^[3]

• Vergleiche
  • die über 520.000 Computer der Berkeley Open Infrastructure for Network Computing bringen es derzeit (Stand: April 2011) auf eine Leistung von bis zu 8 PetaFLOPS^[4]
  • sämtliche Berechnungen aller Computer weltweit von 1960 bis 1970 könnte der Earth Simulator in etwa 35 Minuten durchführen.
  • wenn jeder der rund 7 Milliarden Menschen auf der Welt mit einem Taschenrechner ohne jede Unterbrechung in jeder Sekunde eine Rechnung absolvierte, müsste die gesamte Menschheit 18 Jahre arbeiten, um das zu erledigen, was der IBM Roadrunner in einer Stunde bewältigt.

Literatur

• Christoph Pöppe: Supercomputing : Rekorde ; Innovation ; Perspektive. In: Spektrum-d.-Wiss.. Nr. Nr. 2, Dossier, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-938639-52-8.
• Shlomi Dolev: Optical supercomputing. Springer, Berlin 2008, ISBN 3-540-85672-2.
• William J. Kaufmann, et al.: Supercomputing and the transformation of science. Scientific American Lib., New York 1993, ISBN 0-7167-5038-4.
• Paul B. Schneck: Supercomputer architecture. Kluwer, Boston 1987, ISBN 0-89838-238-6.
• Aad J. van der Steen: Evaluating supercomputers - strategies for exploiting, evaluating and benchmarking computers with advanced architectures. Chapman and Hall, London 1990, ISBN 0-412-37860-4.

Weblinks

 Commons: Supercomputer – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Supercomputer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• TOP500 Liste der leistungsstärksten Supercomputer (in englischer Sprache)
• TOP500 Liste der energieeffizientesten Supercomputer (in englischer Sprache)
• The International Conference for High Performance Computing and Communications (in englischer Sprache)
• The International Supercomputing Conference (in englischer Sprache)

Einzelnachweise

1. ↑ The Green 500 List
2. ↑ http://www.intel.com/support/processors/sb/cs-023143.htm
3. ↑ http://www.intel.com/support/processors/sb/cs-023143.htm#1
4. ↑ BOINC website