E-Science braucht Rechenpower

Hochleistungsrechnen an der Universität Heidelberg

Wie findet man das optimale Design von medizinischen Prothesen? Wie verbreiten sich Schwalbenkolonien? Wie lassen sich Kundenbedürfnisse in sozialen Netzwerken automatisch identifizieren? Was sind die Auswirkungen von politischen und sozialen Reformen?

Projektsteckbrief

Ansprechpartner:

Dr. Martin Baumann
E-Mail: it-service@uni-heidelberg.de
Telefon: 06221/54 117

Das High Performance Computing (HPC), zu Deutsch Hochleistungsrechnen, erlaubt es der Wissenschaft inzwischen, diese und andere Fragestellungen im Detail zu erforschen und zu beantworten. Immer leistungsstärkere Großrechner können mit Datenmengen umgehen, die in ihrer Komplexität die Rechenleistung eines einzelnen PCs bei weitem übersteigen. Und durch die numerische Simulation komplexer Systeme, etwa in der Meteorologie oder der Astronomie, können die Hochleistungsrechner auch selbst große Mengen an Daten erzeugen. Die Möglichkeit, diese detaillierten Daten nicht nur zu sammeln, zu erzeugen und sie zu speichern, sondern sie in ihrer Gesamtheit zu analysieren, eröffnet mittlerweile völlig neue, innovative Forschungsfelder.

Das bwForCluster in Heidelberg und Mannheim
Der digitale Wandel in der Wissenschaft ist in vielerlei Hinsicht grundlegend mit dem Ausbau des Hochleistungsrechnens verbunden. Auch aus diesem Grund betreibt das Universitätsrechenzentrum (URZ) Heidelberg zusammen mit der Universität Mannheim den Hochleistungsrechner bwForCluster MLS&WISO und ein dazugehöriges Kompetenzzentrum. Der Rechner besteht aus zwei Teilen – einem Entwicklungsteil, auf dem die Forscherinnen und Forscher der Universität Heidelberg Methoden zur Berechnung und Datenanalyse austesten können, und einem Produktionsteil, auf dem die eigentlichen forschungsrelevanten Berechnungen durchgeführt werden.

Der Produktionsteil ist auf Heidelberg und Mannheim verteilt und beide Standorte sind über ein rund 30km langes Glasfaserkabel verbunden, das eine sehr schnelle und leistungsstarke Arbeit ermöglicht. Dieser Teil dient vor allem der Forschung in den Molekularen Lebenswissenschaften sowie den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Das System wurde vom Ministerium für Wissenschaft, Kunst und Forschung (MWK) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Der Entwicklungsteil befindet sich hingegen vollständig im Universitätsrechenzentrum Heidelberg. Er wurde durch die Universität Heidelberg (Institut für Wissenschaftliches Rechnen (IWR)) und die DFG finanziert. Betrieben wird dieser Hochleistungsrechner durch das IWR.

Der „Supercomputer“ aus Heidelberg und Mannheim hat diese Bezeichnung durchaus verdient: Der Produktionsteil des bwForClusters MLS&WISO landete im Juni 2015 im Rahmen der ISC15 Konferenz in Frankfurt auf Platz 297 in der Liste der 500 größten Hochleistungsrechner weltweit. Der Entwicklungsteil landete im gleichen Jahr auf Platz 331. Seither wurde der Produktionsteil noch erweitert und besteht nun aus knapp über 700 Servern mit noch leistungsstärkerer Hardware.

Die Universität Heidelberg beteiligt sich am Landeskonzept bwHPC, das die gemeinsame Nutzung von Ressourcen wie auch Support-Strukturen im Bereich des Hochleistungsrechnens in Baden-Württemberg koordiniert. Der Hochleistungsrechner ist daher den Forscherinnen und Forscher aus ganz Baden-Württemberg als Landesdienst zugänglich.

Im Hochleistungsrechner simuliert: Interaktion zweier tropischer Wirbelstürme – Bild: Dr. Martin Baumann

Zugang zum Supercomputing finden
Um ein Hochleistungsrechner sinnvoll und effizient einzusetzen, bedarf es grundlegender Kenntnisse über die Technik und das Betriebsmodell der Rechner. Sofern Anwendersoftware für den Einsatz auf Hochleistungsrechnern schon existiert, muss trotzdem der Zugang zum Rechner, die Reservierung von Rechenzeit und das Initiieren eines Rechenjobs verstanden werden. Sofern diese Anwendersoftware noch entwickelt werden soll, muss sogar ein noch tieferes Verständnis über den Aufbau von Hochleistungsrechnern, Parallelisierungsparadigmen, Methoden des Wissenschaftlichen Rechnens und existierende Software-Bibliotheken gewonnen werden. Für alle diese Themen wird Forscherinnen und Forschern an der Universität durch das URZ Unterstützung geboten. Das Angebot reicht von E-Mail- und Telefon-Support über Schulungen und Workshops bis hin zu der Möglichkeit, im Rahmen von Tandemprojekten gemeinsam ein Problem in einer Software zu suchen oder bestehenden Code zu optimieren.

Die Forscherinnen und Forscher von morgen erreichen
An der Universität Heidelberg werden die Themen des Hochleistungsrechnens und des Wissenschaftlichen Rechnens auch in der Hochschulausbildung verankert, vor allem im Rahmen von Vorlesungen, Seminaren und Praktika. Interessierte Studierende haben darüber hinaus die Möglichkeit, nationale und internationale Veranstaltungen rund um das Thema „High Performance Computing“ zu besuchen und zu aktuellen Forschungsdiskussionen beizutragen. So ist geplant, ein studentisches Team der Universität für die Student-Cluster-Competition auf der International Supercomputing Conference (ISC) aufzustellen. Ziel dieses Wettbewerbs ist es, einen besonders effizienten Rechner zu konzipieren und aufzubauen, der im Rahmen der Konferenz dann in Konkurrenz zu den Rechnern anderer Teams antritt.

Durch diese und andere frühe Kontakte mit dem Thema Hochleistungsrechnen soll sichergestellt werden, dass zukünftige Forscherinnen und Forscher schon frühzeitig die Bedeutung und das Potential von Supercomputern für die Wissenschaft kennenlernen – und es im Zeitalter von Big Data auch zu nutzen wissen.