ExaHyPE

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Neue Software für die Supercomputer für morgen

Simulationsrechnungen treiben den wissenschaftlichen Fortschritt: Neben Theorie und Experiment sind sie das dritte Standbein des Erkenntnisgewinns. Supercomputer erlauben es, immer genauere und kompliziertere Modelle zu berechnen. Eine Milliarde Milliarden, also 1018 Rechenoperationen pro Sekunde (1 ExaFlop/s) ist die Leistung, die Supercomputer der nächsten Generation erbringen sollen. Um die gewaltige Rechenleistung auch für entsprechend umfangreiche Simulationsaufgaben nutzen zu können, muss die gesamte Supercomputing-Infrastruktur samt Systemsoftware auf diese Exascale-Systeme vorbereitet werden; die Programmierung dieser Supercomputer selbst wird somit zur Herausforderung. Mit „ExaHyPE“ („An Exascale Hyperbolic PDE Engine“) fördert die Europäische Kommission seit Oktober 2015 ein internationales, an der Technischen Universität München koordiniertes Projekt, das binnen vier Jahren die algorithmischen Grundlagen dafür legen soll. Ziel ist die Entwicklung einer neuartigen Software, zunächst für Simulationen in der Geo- und Astrophysik, die unter freier Lizenz veröffentlicht wird.

Steckbrief

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.

Zielgruppe

Die Projektergebnisse richten sich an Forscher in diversen wissenschaftlichen Disziplinen aus Akademia und Industrie, die für ihre Arbeit auf komplexe Simulationen zurückgreifen, sowie an Akteure aus dem Supercomputing-Bereich.

Die ExaHyPE-Forscher werden die neuen Algorithmen zunächst anhand zweier Anwendungsszenarien aus der Geo- und Astrophysik erarbeiten: Erdbeben und Gammastrahlenexplosionen. Trotz der beiden genau definierten Anwendungsgebiete wollen die Forscher sie so allgemein halten, dass sie – mit entsprechender Anpassung – auch in weiteren Disziplinen Anwendung finden, beispielsweise zur Simulation von Klima- und Wetterphänomenen oder von komplizierten Strömungs- und Verbrennungsprozessen in den Ingenieurwissenschaften, aber auch bei der Prognose von Naturkatastrophen wie Tsunamis oder Überschwemmungen.

Mittelgroße, interdisziplinäre Forscherteams sollen die Simulationssoftware nach Fertigstellung binnen eines Jahres für ihre spezifischen Zwecke adaptieren können. Um eine rasche Verbreitung der neuen Technologie zu gewährleisten, wird das Konsortium sie unter freier Lizenz veröffentlichen.

BayFOR als Partner

Die Bayerische Forschungsallianz unterstützte das ExaHyPE-Konsortium bei der Beantragung der Fördermittel. Sie gestaltete das „Implementation“-Kapitel des Antrags inhaltlich mit und las das „Impact“-Kapitel Korrektur. Zudem übernahm sie die Budgetkalkulation und wirkte bei der Vertragsvorbereitung mit der EU-Kommission intensiv mit.

Im laufenden Projekt übernimmt die BayFOR das administrative Projektmanagement und ist als Workpackage-Leader für die Verbreitung der wissenschaftlichen Ergebnisse verantwortlich.

Laufzeit und Förderung

ExaHyPE wird von der Europäischen Kommission unter dem Rahmenprogramm für Forschung und Innovation, Horizon 2020, mit 2,8 Mio. Euro unterstützt; davon fließen 1,3 Mio. Euro nach Bayern. Die Laufzeit beträgt vier Jahre; Projektstart war am 1. Oktober 2015.

Konsortium

In ExaHyPE hat sich ein interdisziplinäres Forscherteam aus sieben Institutionen in Deutschland, Italien, Großbritannien und Russland zusammengeschlossen. Koordinator ist Prof. Dr. Michael Bader vom Institut für Informatik an der Technischen Universität München.

Technische Universität München, Deutschland
Università degli Studi di Trento, Italien
Durham University, Großbritannien
Frankfurt Institute for Advanced Studies, Deutschland
Ludwig-Maximilians-Universität München, Deutschland
ZAO „RSC Technologies“, Russland
Bayerische Forschungsallianz, Deutschland

Assoziierter Partner
Leibniz-Rechenzentrum, Deutschland

Weitere Informationen

Website des Projekts: www.exahype.eu

Pressemitteilung zum Projektstart: www.bayfor.org/de-exahype

Kontakt in der BayFOR

Dipl.-Geogr./M.A. Gudrun Lampart

Dipl.-Geogr./M.A. Gudrun Lampart
Projektmanagerin
Telefon: +49 (0)89 9901888-172
E-Mail: exahype@no-spam-pleasebayfor.org

 

 

Dipl.-Ing. Robert Iberl

Dipl.-Ing. Robert Iberl
Wissenschaftlicher Referent Informations-/Kommunikationstechnologien |
Natur- & Ingenieurwissenschaften
Tel.: +49 (0)89 9901888-131
E-Mail: iberl@no-spam-pleasebayfor.org

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