Supercomputer

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

Logik-Recheneinheit des Cray-1-Rechners

Als Supercomputer oder Superrechner werden Hochleistungsrechner bezeichnet, die zum Zeitpunkt ihrer Einführung im obersten realisierbaren Leistungsbereich operieren. Dabei ist es unerheblich, auf welcher Bauweise die Rechner beruhen. Ein typisches Merkmal eines modernen Supercomputers ist seine große Anzahl an Prozessoren, die auf gemeinsame Peripheriegeräte und einen teilweise gemeinsamen Hauptspeicher zugreifen können.

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 (Parallelrechners) muss die Programmierung deshalb möglichst genau auf die einzelnen, parallel arbeitenden Prozessoren abgestimmt werden.

Supercomputer werden heute zumeist als Vektorrechner oder Skalarrechner 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 sog. 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 gegenüber Vektorrechnern 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. Supercomputer werden grundsätzlich in 64 Bit programmiert, 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 die 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.

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

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. Der Vorteil der Supercomputer ist außerdem, dass sie durch ihre extrem schnelle und große Rechenleistung immer mehr Interdependenzen berücksichtigen können. Dies erlaubt also das Einbeziehen immer 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, Wetter- sowie Klimaforschung, Militär und Physik.

Bis auf das Militär, welches hauptsächlich militärische Planspiele betreibt, kennzeichnen sich die Bereiche 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. (Jedoch sind logischerweise solche Simulationen 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 (weltweit)

Name	Standort	TeraFLOPS	Konfiguration	Zweck
BlueGene/L	Lawrence Livermore National Laboratory Livermore (USA)	280,6	131.072 PowerPC 440-Prozessoren 700 MHz , 32.768 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
ASCI 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	Klima- und Genforschung, Pharmazie
HLRB II	LRZ Garching bei München (Deutschland)	56,52	9.728 CPUs 1,6 GHz Intel Itanium 2 (Montecito Dual Core), 39 TB RAM	Naturwissenschaften, Astrophysik und Materialforschung
Columbia	NASA Ames Research Center (Silicon Valley, Kalifornien, USA)	51,87	10.160 Intel Itanium 2 Prozessoren (Madison Kern)	Klimamodellierung, astrophysikalische Simulationen
JUBL (Jülicher BlueGene/L)	Forschungszentrum Jülich (Deutschland)	37,33	16.384 PowerPC 440-Prozessoren 700 MHz, 4096 GB RAM	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
Earth Simulator	Yokohama Institute for Earth Sciences (Japan)	35,86	5120 500 MHz NEC SX-6 CPUs, 10 TB RAM	Klimamodellierung
ASCI Q	Los Alamos National Laboratory (New Mexico, USA)	13,88	8192 DEC Alpha EV68 CPUs, 12 TB RAM	Simulation
System X oder alt: Terascale Cluster	Virginia Polytechnic Institute and State University (USA)	12,25	1100 Dual 2,3 GHz Apple Xserve G5 (IBM PPC970FX CPU), 4,4 TB RAM	Quantenchemie, Simulationen, Nanoelektronik und weitere
NEC SX-8/576M72	Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS)	8,92 (nur Vektorteil)	576 CPUs 2 GHz SX-8, 9216 GB RAM	Ingenieurwissenschaftliche Anwendungen, Physik, Chemie, Lebenswissenschaften, Nutzung durch Industrie, CFD
Albert2	BMW Sauber F1 Team / Hinwil (Schweiz)	12.2	512 CPU Intel Xeon 5160-Prozessoren (DualCore) 1.024 Kerne;2.048 GB RAM	Computergestützte Strömungssimulation (CFD)
MCR Linux Cluster	Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore (USA)	7,63	2304 Intel 2,4 GHz Xeon CPUs, 4,6 TB RAM	Simulation von Nuklearwaffen

Ausgewählte Supercomputer (deutschlandweit)

Name	Standort	TeraFLOPS	Konfiguration	Zweck
JUGENE	Forschungszentrum Jülich	167	65.536 CPUs	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
HLRB II	LRZ Garching (Deutschland)	56,52	9.728 CPUs 1,6 GHz Intel Itanium 2 (Montecito Dual Core), 39 TB RAM	Naturwissenschaften, Astrophysik und Materialforschung
JUBL (Jülicher BlueGene/L)	Forschungszentrum Jülich	37,33	16.384 PowerPC440-Prozessoren 700 MHz, 4096 GB RAM	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
HP XC4000	Höchstleistungsrechner-Kompetenzzentrum Baden-Württemberg (hkz-bw), Karlsruhe	über 15	AMD Opteron, 12 TB RAM	Physikalische Simulationen
NEC SX8/576M72	Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS)	8,92 (nur Vektorteil)	576 CPUs 2 GHz SX-8, 9216 GB RAM	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 (2600 MHz)	Modellierung und numerische Simulation
JUMP (IBM pSeries 690-Knoten)	Forschungszentrum Jülich	5,57	1312 CPUs 1,7 GHz Power4+, 5000 GB RAM	Materialwissenschaften, theoretische Chemie, Elementarteilchenphysik, Umwelt, Astrophysik
HLRN-I (IBM pSeries 690-Knoten)	Zuse-Institut Berlin, Rechenzentrum der Universität Hannover	5,2	1024 CPUs 1,7 GHz Power4, 5 TB RAM	Physik, Chemie, Umwelt- und Meeresforschung, Ingenieurwissenschaften
IBM eSeries p5 575-Knoten	Max-Planck-Gesellschaft MPI/IPP Garching	4,56	688 CPUs 1,7 GHz Power5, 2816 GB RAM	Physikalische Simulationen, z. B. die Millennium-Simulation
IBM eSeries p5 575-Knoten	Deutscher Wetterdienst	2,75	416 CPUs 1,9 GHz Power5
ARMINIUS	Universität Paderborn	2,56	200 Dual INTEL XEON je 3,2 GHz + 4GB RAM, 16 Dual AMD Opteron je 2,2GHz + 8GB RAM
ALiCEnext	Bergische Universität Wuppertal	2,08	1024 CPUs 1,8 GHz Opteron	Wissenschaftliche Anwendungen
HHLR (Hessischer Hochleistungsrechner)	Technische Universität Darmstadt	2,05 (siehe Diskussion)	584 CPUs 1,5 – 1,9 GHz Power4 und Power5	Wissenschaftliche Anwendungen
Hitachi SR8000-F1/168	LRZ Garching	1,65	1512 CPUs, 1376 GB RAM	vektorisierbare Programme, 2006 stillgelegt
NEC SX-6	Deutsches Klimarechenzentrum	1,5	192 Vektor-CPUs, 1,5 TB RAM	Klimamodellierung
Beowulf-Cluster CLIC	TU Chemnitz	0,2216	528 Pentium-III-Prozessoren (800 Mhz), 264 GB SDRAM	im Wesentlichen Forschung auf dem Gebiet der Physik an der TU-Chemnitz
Kepler-Cluster	Tübingen	0,096	196 Pentium-III-Prozessoren mit 650 MHz, 100 GB RAM	Astrophysik und Strömungsmechanik, Entwicklung stabiler numerischer Verfahren

Die schnellsten Supercomputer ihrer Zeit

Jahr	Supercomputer	Spitzengeschwindigkeit	Ort
1906	Babbage Analytical Engine, Mill	0,3 OPS	RW Munro, Woodford Green, Essex, England
1928	IBM 301[1]	1,7 OPS	verschiedene Orte weltweit
1931	IBM Columbia Difference Tabulator[2]	2,5 OPS	Columbia University
1942	Atanasoff-Berry Computer (ABC)	30 OPS	Iowa State University, Ames (Iowa), USA
	TRE Heath Robinson	200 OPS	Bletchley Park, Milton Keynes, England
1943	Flowers Colossus	5 kOPS
1946	UPenn ENIAC (vor den Modifikationen von 1948+)	50 kOPS	Aberdeen Proving Ground, Maryland, USA
1954	IBM NORC	67 kOPS	U.S. Naval Proving Ground, Dahlgren, Virginia, USA
1956	MIT TX-0	83 kOPS	Massachusetts Inst. of Technology, Lexington, Massachusetts, USA
1958	IBM SAGE	400 kOPS	25 U.S. Air Force-Stützpunkte in den USA und ein Ort in Kanada (52 Computer)
1960	UNIVAC LARC	500 kFLOPS	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
1961	IBM 7030 "Stretch"	1,2 MFLOPS	Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA
1964	CDC 6600	3 MFLOPS	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
1969	CDC 7600	36 MFLOPS
1974	CDC STAR-100	100 MFLOPS
1975	Burroughs ILLIAC IV	150 MFLOPS	NASA Ames Research Center, Kalifornien, USA
1976	Cray-1	250 MFLOPS	Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA (weltweit über 80 Mal verkauft)
1981	CDC Cyber 205	400 MFLOPS	verschiedene Orte weltweit
1983	Cray X-MP/4	941 MFLOPS	Los Alamos National Laboratory; Lawrence Livermore National Laboratory; Battelle; Boeing
1984	M-13	2,4 GFLOPS	Scientific Research Institute of Computer Complexes, Moskau, UdSSR
1985	Cray-2/8	3,9 GFLOPS	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
1989	ETA10-G/8	10,3 GFLOPS	Florida State University, Florida, USA
1990	NEC SX-3/44R	23,2 GFLOPS	NEC Fuchu Plant, Fuchū, Japan
1993	Thinking Machines CM-5/1024	65,5 GFLOPS	Los Alamos National Laboratory; National Security Agency
	Fujitsu Numerical Wind Tunnel	124,50 GFLOPS	National Aerospace Laboratory, Tokio, Japan
	Intel Paragon XP/S 140	143,40 GFLOPS	Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
1994	Fujitsu Numerical Wind Tunnel	170,40 GFLOPS	National Aerospace Laboratory, Tokio, Japan
1996	Hitachi SR2201/1024	220,4 GFLOPS	Universität Tokio, Japan
1996	Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048	368,2 GFLOPS	Center for Computational Physics, University of Tsukuba, Tsukuba, Japan
1997	Intel ASCI Red/9152	1,338 TFLOPS	Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
1999	Intel ASCI Red/9632	2,3796 TFLOPS
2000	IBM ASCI White	7,226 TFLOPS	Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA
2002	NEC Earth Simulator	35,86 TFLOPS	Earth Simulator Center, Yokohama-shi, Japan
2004	SGI Project Columbia	42,7 TFLOPS	Project Columbia, NASA Advanced Supercomputing Facility, USA
2004	IBM BlueGene/L	70,72 TFLOPS	U.S. Department of Energy/IBM, USA
2005		136,8 TFLOPS	U.S. Department of Energy/U.S. National Nuclear Security Administration, Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, USA

Leistungen von Supercomputern

(im weiteren Sinne)

• zum Vergleich: sämtliche Berechnungen aller Computer weltweit von 1960 bis 1970 könnte der Earth Simulator in etwa 35 Minuten durchführen.
• in einem angenommenen Balkendiagramm, in welchem 1 Millimeter Balkenlänge für 100 MegaFLOPS stehen, wäre der entsprechende Balken für 100 TeraFLOPS 1 Kilometer groß.
• Deep Blue 2 (Hochleistungsrechner von IBM) schlägt als erster Computer einen Schachweltmeister in einem offiziellen Zweikampf.
• Yasumasa Kanada bestimmt die Kreiszahl Pi mit einem Hitachi SR8000 der Universität Tokio auf 1,24 Billionen Stellen genau.
• Intels Desktop Prozessor Core 2 Duo Quad Q6600 schafft ca. 21,4 GFLOPS und hat damit Supercomputerniveau der frühen 90er Jahre.

TOP10 Juni 2007

Platz	Rechner (Hersteller)	Betreiber	Land	Platz im November 2006	Prozessoren	Rmax [TFlop/s]
1	eServer BlueGene (IBM)	DOE/NNSA/LLNL	USA	1	131072 PowerPC440, 700 MHz	280,6
2	-	Jülich	Deutschland	-	65.000	167
3	Jaguar (Cray TX3)	Oak Ridge National Lab	USA	10	23016 DC-Opteron, 2,6 GHz	101,7
4	Red Storm (Cray)	Sandia National Labs	USA	2	26544 DC-Opteron, 2,4 GHz	101,4
5	eServer BlueGene (IBM)	IBM, Thomas Watson	USA	3	40960 PowerPC440, 700 MHz	91,3
6	eServer BlueGene (IBM)	Stony Brook, BNL	USA	-	36864 PowerPC440, 700 MHz	82,2
7	ASCI Purple - eServer pSeries p5 575 (IBM)	DOE/NNSA/LLNL	USA	4	12208 Power5, 1,9 GHz	75,8
8	eServer BlueGene (IBM)	Rensselaer Polytechnic Inst.	USA	-	32768 PowerPC440, 700 MHz	73,0
9	Dell PowerEdge 1955	NCSA	USA	-	9600 Xeon Clovertown, 2,33 GHz	62,7
10	MareNostrum (IBM)	Barcelona Supercomputer	Spanien	5	12208 Power970 2,3 GHz	62,6

Weblinks

Commons: Supercomputer – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• TOP500 Liste der leistungsstärksten Supercomputer
• The International Conference for High Performance Computing and Communications
• International Supercomputing Conference in Dresden
• Chemnitz High-Performance Linux Cluster (CHiC)
• Kepler-Cluster an der Universität Tübingen
• CRAY-Seiten des ComputerMuseums München