Projektziel und Arbeitsfelder

Das größte Hindernis für die Realisierung eines Exascale-Computers ist aktuell noch der Energieverbrauch: Die derzeit schnellsten Supercomputer der Welt arbeiten im Petaflop/s-Bereich (1015 Rechenoperationen pro Sekunde) und benötigen zwischen 8 und 18 Megawatt, wobei die Energiekosten rund 1 Million US-Dollar pro Megawatt und Jahr betragen. Die in ExaHyPE entwickelte Simulationssoftware wird daher konsequent auf die Anforderungen zukünftiger energieeffizienter Hardware ausgelegt.

Auf Hardware-Seite ist mit einer extremen Parallelisierung zu rechnen. 2020 werden Supercomputer hunderte Millionen Rechenkerne umfassen. Gleichzeitig wird die Hardware, die zur weiteren Leistungssteigerung an ihre physikalischen Grenzen getrieben wird und dabei zudem möglichst energieeffizient arbeiten muss, vermehrt zu Ausfällen neigen und somit schwankende Leistungskurven aufweisen. ExaHyPE untersucht daher die dynamische Verteilung von Rechenoperationen auf die Kerne, selbst wenn diese während der Rechnung ausfallen.

Gleichzeitig gilt es, die hardwareinterne Kommunikation bei der Parallelisierung zu reduzieren. Zum einen geht jeder Datenaustausch zulasten des Energieverbrauchs. Zum anderen werden Supercomputer in zehn Jahren zwar 1000-mal so schnell rechnen können wie heute, doch die Zugriffszeit auf den Speicher wird sich nicht im gleichen Maße entwickeln. Um dennoch schnelle, energieeffiziente Rechenoperationen zu gewährleisten, sollen die verwendeten Algorithmen inhärent speichereffizient sein und so wenig Datenaustausch wie möglich erfordern.

Um möglichst geringen Speicherbedarf mit größtmöglichem Nutzen zu kombinieren, entwickelt das Konsortium neue skalierbare Algorithmen, welche die Auflösung von Simulationen, also die verwendeten numerischen Beobachtungspunkte, dort dynamisch erhöhen, wo die Simulationsrechnung dies erfordert – und nur dort. So können die Wissenschaftler die erforderlichen Rechenoperationen auf ein Minimum beschränken und gleichzeitig größtmögliche Genauigkeit in der Simulation erreichen.

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