Heidelberger Wissenschaftler bauen eines der weltweit leistungsstärksten Parallel-PC-Cluster

512 Prozessoren erbringen jeweils eine theoretische Spitzenleistung von 2,8 Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde (Gigaflops) – Gesamtsystem erreicht eine theoretische Spitzenleistung von mehr als 1,4 Teraflops und übertrifft alle zurzeit bekannten in den USA installierten Myrinet-PC-Cluster-Systeme

Das Interdisziplinäre Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg (IWR, www.iwr.uni-heidelberg.de ) hat jetzt einen parallelen Hochleistungs-PC-Cluster im Verbund mit dem Rechenzentrum der Universität Mannheim (RUM) installiert. Der parallele Hochleistungs-Rechner ist größtenteils aus am Markt verfügbaren Standardkomponenten (so genannten „Commodity-off-the-Shelf“-Komponenten) aufgebaut. Er besteht aus 512 AMD-Athlon PC-Prozessoren, von denen jeweils zwei in einem Rechnerknoten zusammengefasst sind. Diese Prozessoren sind mit 1400 MHz getaktet und erbringen jeweils eine theoretische Spitzenleistung von 2,8 Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde (Gigaflops).

Die Kommunikation zwischen den Rechenknoten erfolgt durch das Hochgeschwindigkeitsnetz Myrinet2000   ( www.myricom.com). Dieses Netzwerk weist einen Spitzendurchsatz von zwei Gigabit pro Sekunde zwischen jeweils zwei Knoten auf und ermöglicht daher im Vergleich zu herkömmlichen Netzwerken wie zum Beispiel Fast-Ethernet eine bessere Skalierbarkeit paralleler Anwendungen. Ausgestattet ist das System mit einem verteilten Hauptspeicher von 256 GigaByte, von dem der größte Teil für Rechnungen genutzt werden kann, und einem verteilten Festplattenspeicher von rund 10 TeraByte. Das Gesamtsystem erreicht eine theoretische Spitzenleistung von mehr als 1,4 Teraflops, womit es sogar alle zurzeit bekannten in den USA installierten Myrinet-PC-Cluster-Systeme übertrifft.

Seit 1993 führt die Universität Mannheim zusammen mit der Universität Tennessee eine halbjährlich aktualisierte Liste (Top500-Liste) der 500 leistungsstärksten Rechner der Welt (www.top500.org). Diese Liste hat sich als wichtiges Instrument zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Hochleistungsrechnern erwiesen und hat weltweite Akzeptanz erlangt. Zur Positionierung in der Top500-Liste wird der bekannte Linpack-Benchmark verwandt. Bei ersten Leistungstests des Heidelberger Parallelrechners wurde eine Linpack-Rechenleistung von 825 Gflops erreicht. In der Top500-Liste von November 2001 hätte das System somit auf Position 24 weltweit, Position 4 europaweit und Position 3 deutschlandweit gestanden. Dabei kostet der Parallelrechner nur den vergleichsweise geringen Betrag von 1,26 Mio Euro (2,5 Mio DM), womit auch im Bereich Preis-Leistungsverhältnis neue Maßstäbe gesetzt werden. Möglich wird dies durch den konsequenten Einsatz von am Markt verfügbaren preisgünstigen Standardkomponenten sowie von dem am IWR vorhandenen „Cluster-Computing Know-How“.

Geliefert wurde das System von der sächsischen Firma Megware, die bereits das bekannte PC-Cluster an der Universität Chemnitz installiert hatte. Unterstützt wird das Projekt außerdem von der Firma AMD (Advanced Micro Devices), der es damit gelingt, ihre Hardware-Lösungen in dem Bereich des Supercomputings zu positionieren.

Das Interdisziplinäre Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) ist eine zentrale Einrichtung der Universität Heidelberg für Forschung und Lehre im Bereich des Wissenschaftlichen Rechnens. Im IWR sind Wissenschaftler verschiedener Fachrichtungen vereint, die in ihrer Forschung auf mathematische Modellierung und den Einsatz von Parallelrechnern aufbauen. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Forschern verschiedener Fachrichtungen, die Entwicklung effizienter Rechenverfahren und eine äußerst leistungsfähige Computerausstattung sind entscheidende Voraussetzungen für die erfolgreiche Arbeit des Zentrums. Der Parallelrechner wird Forschergruppen am IWR insbesondere in den Disziplinen der Mathematik, Informatik, Bioinformatik und Chemie sowie Physik im Verbund mit den beteiligten Instituten der Universität Mannheim für umfangreiche Rechnungen und Simulationen („Grand Challenge Problems“) zur Verfügung stehen.

Seit 1989 arbeitet das IWR an der Entwicklung paralleler Software für Anwendungen in den verschiedensten Bereichen. Schwerpunkte der aktuellen Forschungen und technischen Anwendungen sind Reaktive Strömungen, Optimierungsprobleme, Technische Simulationen, Bildverarbeitung sowie Biocomputing/Bioinformatik.

Vor allem dem neuen Schwerpunkt Biocomputing kommt am IWR eine besondere und zunehmende Bedeutung zu, da dieses Gebiet eine zentrale Funktion im Umfeld der Bio-Region Rhein-Neckar-Dreieck und der Heidelberger Genomforschung wahrnimmt. Methodisch im Vordergrund der Forschung stehen am IWR die Fragen nach der effizienten Nutzung paralleler Hardware (adäquate Parallelisierung, Effizienz, Skalierbarkeit und Portabilität von Verfahren). Das IWR wird als wesentliches Instrument seiner Forschungen den Heidelberger Hochleistungs-Parallelrechner einsetzen.

Die Expertise im Parallelen Rechnen, die am IWR erarbeitet wurde, wird auch von anderen Forschergruppen und Forschungseinrichtungen genutzt. Mit seinem Parallelrechner stellt das IWR auch ein Zentrum für überregionale Nutzergruppen dar (Schwerpunktprogramme der DFG, nationale und internationale Forschungszentren für Molekularbiologie und Krebsforschung, Industriepartner). Die Beteiligung von Forschergruppen am IWR und die Nutzung seiner Ressourcen beruhen auf wissenschaftlichen Projekten der Mitglieder. Auch auswärtigen Nutzern, wie z.B. Industriepartnern, wird der Parallelrechner dabei im Rahmen des HWW-Verbundes („High Performance Computing Center for Science and Industry“) zur Verfügung stehen.

Das parallele Rechnen erlebt derzeit im Bereich des wissenschaftlichen und kommerziellen Computing einen Boom. Wissenschaftler beteiligen sich an der Fortentwicklung von Rechnern, ihrer Einsetzbarkeit und vor allem ihrer Programmierung. Die betriebene Entwicklung von Software und parallelen Algorithmen mit den dazu notwendigen Tests und Untersuchungen des Laufzeitverhaltens erfordert einen direkten Zugriff auf parallele Systeme. Der Betrieb des Parallelrechners orientiert sich dabei an der Notwendigkeit des interaktiven Arbeitens mit der parallelen Hard- und Software. Die Grundlage für diese Richtung des „PC-Cluster-Computing“ ist das bekannte Betriebssystem Linux, das offene PC-Unix-System, welches von Linus Torvalds entwickelt wurde und weltweit große Verbreitung fand. Außerdem wird das in Japan entwickelte Clustersoftwaresystem SCore zum Einsatz kommen. Die weiteren notwendigen Software-Werkzeuge stammen aus dem Bereich der weltweiten „Linux-Community“ und wurden an die speziellen Anforderungen des Supercomputers angepasst.

Heidelberg wird mit dem Parallelcluster sicher einen Spitzenplatz auf dem Gebiet des „High-Performance-Clustering“ einnehmen. Mit einem skalierbaren Cluster-Computer wie diesem wird dabei der Eintritt in den Bereich des „Teracomputing“ gelingen.

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Dr. Wolfgang Hafemann, IWR
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