Digitalisierung: Ein Besuch beim neuesten Superrechner in München

Die letzte Stahltür geht auf – und mit einem Mal steht man in einer Wolke aus Lärm. Ein hohes metallisches Sirren, unterlegt von einem tieffrequenten Brummen. Was da so lärmt, sind quasi Puls und Blutkreislauf von Europas mächtigster Rechenmaschine. Die Luft ist warm wie im Schwimmbad, aber trocken, und der Krach kommt von zigtausenden, auf hohen Touren drehenden Lüftern und ebenso vielen Netzteilen. Nähert man sich den schwarzen, wandschrankgroßen Computertürmen, mit denen der hallengroße Raum vollgestellt ist, sieht man darin ungezählte grüne LED-Lämpchen hektisch blitzen. Blingblingbling – und die Probleme der Zukunft werden kleiner.

Wir stehen vor SuperMUC NG, dem schnellsten Computer Europas, wahrscheinlich einer der fünf schnellsten Rechner der Welt. Er ist vor kurzem im Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (LRZ) in Garching, im Norden von München, in Betrieb gegangen. Im sogenannten Rechnerwürfel des Instituts, ein dreistöckiges, bis zum Dach mit Technik gefülltes Gebäude neben dem Hauptbau der Institution, werkeln noch die Techniker. Eine Leiter steht da und im Boden fehlt eine Abdeckplatte, das Loch gibt den Blick frei auf Rohre und Kabel, die in einem Zwischenboden laufen.

Herbert Huber ist unser Führer durch den streng abgeschirmten Bau. Er ist hier Leiter der Abteilung Hochleistungssysteme und kennt das dröhnende Ungetüm vor uns wohl besser als irgendjemand sonst. Und wenn man auch nicht gleich versteht, was die rätselhafte schwarze Maschine macht, so ist doch schnell klar: Wie wir auf Luft und Nahrung angewiesen sind, braucht sie Kühlung und Strom. Viel Strom. Im Normalbetrieb schluckt sie davon so viel wie 5000 Haushalte. Dabei gilt der SuperMUC NG in der Welt der Supercomputer als Vorreiter in Sachen Energieffizienz. Auf der ganzen Welt gibt es immer mehr solcher Supercomputer. Doch der Hunger nach ihrer Rechenleistung wächst noch schneller.

Für das selbstfahrende Auto und für die Krebstherapie

Unsere physische Welt transformiert sich gerade mit rasanter Geschwindigkeit in eine Welt aus Daten. Längst wird unser Leben von Computern bestimmt. Algorithmen, also Computerprogramme, sagen uns, welche Musik wir mögen und welche Leute wir kennen. Wie das geht, weiß keiner so genau. Aber man kann das in seinen Alltag integrieren. Weitgehend unbemerkt von der breiten Öffentlichkeit vollzieht sich im Hintergrund ein viel weiter reichender Wandel: Autofahren – ob Elektro- oder Verbrennungsmotor – müssen wir bisher noch selbst. In Zukunft sollen selbstfahrende Autos ihre Passagiere zu Hause abholen und vollautomatisch an ihr Ziel bringen.

Wer krank ist, geht heute zum Arzt, und der entscheidet, welche Therapie sinnvoll ist, ob eine Operation oder ein Medikament nötig sind. In Zukunft sollen Computer dabei helfen, Röntgenbilder und andere Analysedaten auszuwerten. Patienten, etwa bei der Krebstherapie, werden eine individuell auf ihre genetischen Voraussetzungen maßgeschneiderte Therapie bekommen.

Wenn Städte und Gemeinden heute neue Bau- und Industriegebiete ausweisen, müssen sie den Hochwasserschutz berücksichtigen. Die Vorhersagen, welche Gebiete davon betroffen sein könnten und welche sicher sind, beruhen auf Modellen, die mit vielen Rundungen und Vereinfachungen berechnet werden. In Zukunft sollen die Auswirkungen von Wetterereignissen, die etwa zu Hochwasser führen können, auf wenige Meter genau angegeben werden können.

Damit all das – und noch viel mehr – Wirklichkeit werden kann, braucht man Hochleistungscomputer wie den SuperMUC NG. Wissenschaftler können mit ihnen Vorhersagen treffen, mit einer Genauigkeit, die alles Bisherige in den Schatten stellt. Dieter Kranzlmüller, der Chef des LRZ, sitzt in einem Besprechungszimmer und erklärt, warum die 96 Millionen Euro für den SuperMUC NG und seinen Betrieb während sechs Jahren, bezahlt je zur Hälfte vom Bund und vom Freistaat Bayern, sehr gut angelegtes Geld sind: „Mit Supercomputern können wir anhand von Simulationen Dinge probieren, die wir in der Realität nicht probieren können. In der Astrophysik etwa ist es ganz klar: Was passiert, wenn Gravitation anders wirken würde? Oder in der Strömungsmechanik, ein anderer Bereich, der bei uns am SuperMUC NG ganz wichtig ist: Wie lässt sich die Leistungsfähigkeit von Flugzeugturbinen verbessern? Das hat damit zu tun, wie die Luft über Rotorblätter geht. Wenn das gelingt, haben alle etwas davon: Weil Flugzeuge weniger Kerosin brauchen, weniger Abgase ausstoßen, weniger Lärm produzieren.“

Die Rechenleistung: 26,9 Petaflops. Was heißt das?

Klimawandel, Gesundheit, Energie, Sicherheit – so viele Forschungsfelder arbeiten mit Simulationen, dass nicht alle Wissenschaftler, die wollen, Rechnerzeit am SuperMUC NG bekommen. Wer am SuperMUC rechnen will, muss einen Antrag schreiben. Über den wird dann von einem Gremium von Fachwissenschaftlern entschieden. Das LRZ sorgt nur für den reibungslosen Betrieb der ausgewählten Simulationen. Auf dem Vorgängersystem des SuperMUC NG, das hier 2012 in Betrieb ging und damals auch einige Zeit lang der schnellste Rechner Europas war, konnten so über 750 Forschungsprojekte abgewickelt werden.

Die Leistung neuer Computerchips verdoppelt sich noch immer alle 18 bis 20 Monate. Neue Prozessoren rechnen dann bei gleichem Energiebedarf doppelt so schnell oder können die gleichen Berechnungen mit halbiertem Energieverbrauch durchführen. Darum geht der alte SuperMUC von 2012 nächstes Jahr vom Netz: Er ist einfach zu teuer im Betrieb im Vergleich mit SuperMUC NG. Schon jetzt planen Kranzlmüller und sein Team nicht nur eine bereits genehmigte Erweiterung für den neuen Rechner, sondern ein komplett neues System, das in sechs Jahren ans Netz gehen soll.

26,9 Petaflops Rechenleistung haben die 311.040 wassergekühlten Prozessoren des SuperMUC NG aktuell. Flops ist eine Abkürzung aus dem Englischen und bedeutet übersetzt „Gleitkomma-Operationen pro Sekunde“. Eine Operation ist einfach ein Rechenschritt wie etwa das Addieren oder Multiplizieren von Zahlen. Der SuperMUC NG schafft also 26,9 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde. Wenn alle gut sieben Milliarden Menschen der Welt auf einem Taschenrechner vier Millionen Rechenschritte pro Sekunde ausführen könnten, läge ihre Rechenleistung noch knapp vor dem Superrechner. Mensch gegen Maschine – in dieser Disziplin ist der Wettbewerb entschieden.

Der schnellste Rechner weltweit steht seit kurzem wieder in den USA: Summit heißt er, gehört dem Oak Ridge National Laboratory in Tennessee und schafft den Spitzenwert von 122,3 Petaflops. Sechs der zehn schnellsten Rechner der Welt stehen in den USA. Allerdings hat China auf der Liste der 500 schnellsten Computer in den vergangenen Jahren rasant aufgeholt. Die Liste wird von den Universitäten Mannheim und Tennessee zweimal im Jahr erstellt und abwechselnd in den USA und in Deutschland vorgestellt. Gemessen wird mit einem standardisierten Programm. LRZ-Chef Kranzlmüller und sein Team mussten ihren Messwert bis vergangenen Donnerstag einreichen. Bei der Supercomputerkonferenz vom 11. bis 16. November in Dallas werden sie dann erfahren, ob SuperMUC NG wie erwartet auf einem der vordersten Plätze landet.

In sechs Jahren wird auch SuperMUC NG veraltet sein

Sicher ist, dass der Garchinger Superrechner einer der größten Rechner ist, der ausschließlich der zivilen Nutzung dient. Staatliche Supercomputer dienen oft militärischen Zwecken. Atombombenexplosionen kann man etwa unauffälliger und billiger simulieren als in echt herbeiführen. Aber auch Technologien zur Überwachung und Sicherung digitaler Daten brauchen Supercomputer. In Garching darf auch die Industrie nur in Forschungs-Kooperationen rechnen und nur, wenn die Ergebnisse veröffentlicht werden. Das kann durchaus für beide Seiten gewinnbringend sein, wie Kranzlmüller erklärt. Aber immer mehr Konzerne kaufen sich gleich selber einen Superrechner.

Rund die Hälfte der Top-500- Rechner gehören in diese Kategorie. Die Chemie- und Pharmaindustrie kann etwa Prozesse und Reaktionen simulieren und kommt so viel schneller und günstiger zu Ergebnissen und neuen Produkten. Auch im Automobil- und Flugzeugbau geht ohne Simulationen gar nichts mehr. Kurz: Rechenkapazität entscheidet über die Wettbewerbsfähigkeit. Die strategische Bedeutung des Hochleistungsrechnens hat inzwischen auch die Europäische Kommission erkannt. Das eigens gegründete Unternehmen EuroHPC mit Sitz in Luxemburg soll nun in kurzer Zeit und mit einem Budget von anfangs 1,4 Milliarden Euro den Rückstand auf die Weltspitze aufholen.

Bis 2021 soll das EU-Unternehmen zwei Supercomputer anschaffen, die zu den fünf schnellsten der Welt gehören und noch mindestens zwei weitere, die zu den 25 besten gehören. Perspektivisch soll auch die Technologie dafür aus Europa kommen. Wo diese Superrechner stehen sollen, ist noch offen. Klar ist, dass man zur Einhaltung dieses ambitionierten Zeitplans auf vorhandenes Wissen zurückgreifen muss. Wie Kranzlmüller sagt, plant das LRZ in Sechs-Jahres-Schritten. Und Platz braucht man auch.

Den gibt es im Garchinger Rechenwürfel ja bald wieder. 2019, wenn die ältere, gerade mal sechs Jahre alte und damit bereits veraltete Anlage abgeschaltet wird. Und in weiteren sechs Jahren ist dann ja auch SuperMUC NG, der – blingblingbling – schnellste Rechner Europas, bestenfalls ein Fall für das Museum der Computergeschichte… Oder ziemlich viel Elektroschrott.