Er soll modernste Technik enthalten, Komponenten, die (noch) nicht verkauft werden und der Wissenschaft neue Methoden zur Datenverarbeitung offerieren: Bei der Beschaffung seines nächsten Höchstleistungsrechners setzt das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften erstmals auf eine Innovationspartnerschaft – ein Novum in Europa: Dabei wird das wissenschaftliche Rechenzentrum, Teil des Gauss Centre for Supercomputing,  gemeinsam mit den Technologieanbietern Hewlett Packard Enterprise (HPE) und Lenovo innerhalb des nächsten Jahres die Architektur des Supercomputers der Exascale-Klasse planen, die dafür notwendigen Prototypen entwickeln und bestehende Komponenten an spezifische Wünsche anpassen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie das bayerische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (StMWK) gaben bereits grünes Licht und die notwendige finanzielle Zusage.

Neue Architektur für den leistungsstarken Supercomputer
Was Geschwindigkeit und Energiebedarf betrifft, geraten die Architekturen von aktuellen Supercomputern an Grenzen. Vor allem der Transport von Daten innerhalb der Systeme ist enorm energieintensiv und braucht neue Lösungen. Anwender:innen setzen nicht mehr nur auf klassische Modellierung und Simulationen. Bei ihnen steigt der Bedarf an Auswertung von Big Data mit Künstlicher Intelligenz und Methoden des maschinellen Lernens. Zudem benötigen Nutzer:innen heute auch Rechenkraft, um Forschungsergebnisse zu visualisieren oder in Virtueller Realität (VR) darzustellen. Folglich wird der Exascale-Rechner des LRZ eine Reihe von spezialisierten Prozessoren und Komponenten auf seinen Rechenknoten vereinen, die mit möglichst niedrigem Energiebedarf eine breite Palette von Arbeitslasten ermöglichen. Diese Leistung ist im Co-Design und in gemeinsamer Anstrengung von Technologieanbietern und Forschung sowie mit unterschiedlichen Herangehensweisen besser zu schaffen.

Gezielter auf Bedürfnisse hin entwickeln
Eine Innovationspartnerschaft bietet sich hierfür geradezu an: In Deutschland ist sie seit 2016 möglich. Bund, Länder und Kommunen wollen damit die Entwicklung neuer Technologien und Angebote im öffentlichen Sektor anregen. Innovationspartnerschaften verlaufen mehrstufig in Form von Wettbewerben: Die erste Runde, in der mehrere Unternehmen um das Konzept eines energie-effizienten, aber leistungsstarken Alleskönners im HPC rangen, konnten HPE und Lenovo für sich entscheiden. In der nächsten Runde werden diese beiden Technologieanbieter nun mit den Spezialist:innen des LRZ sowie Anwender:innen aus verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen Komponenten neu entwickeln, optimieren und in Prototypen auf Herz und Nieren testen.

Innovationspartnerschaften machen mehr Aufwand: Alle Unternehmen sollen mit den gleichen Informationen arbeiten und keiner sollte von den technischen Neuerungen der anderen erfahren können. Verträge werden über Entwicklungsarbeiten und zum Prototypenbau geschlossen, sie berühren Urheber-, Patent- und Vermarktungsrechte. Außerdem arbeiten mehrere Unternehmen an einem Problem und werden dafür honoriert. Trotzdem lohnen sich Innovationspartnerschaften: Ersten Erfahrungen aus kleineren IT-Projekten zufolge lässt sich Hard- oder Software so gezielter auf Bedürfnisse der Anwender:innen hin entwickeln.

Heterogene Technologien integrieren
Bis Ende 2023 wird sich herausgestellt haben, welches Unternehmen den nächsten Supercomputer der Exascale-Klasse mit dem LRZ aufbauen und betreuen wird. Die Erwartungen an den neuen Höchstleistungsrechner, der viele heterogene Technologien in sich vereinen wird, sind hoch: Es wird schätzungsweise fünf- bis zehnmal mehr wissenschaftliche Forschungsarbeiten bewältigen können als SuperMUC-NG, der aktuelle Supercomputer am LRZ. Dafür müssen die Prototypen bei Nutzer:innen-Benchmarks überzeugen. Nicht zuletzt ist die Energieeffizienz des Systems einer der entscheidenden Faktoren für die finale Vergabe.

Stimmen zur Innovationspartnerschaft

Prof. Dr. Dieter Kranzlmüller, Vorsitzender des Direktoriums und Leiter des LRZ: „Die nächste Generation von HPC-Systemen, die Exascale-Computer, entstehen im Co-Design, Hard- und Software werden in Abstimmung für die gewünschten Aufgaben und Einsätze in der Forschung optimiert und möglichst gemeinsam mit Technologieunternehmen entwickelt. Auch im Hinblick auf die zunehmende Komplexität von HPC-Systemen wollten wir die Beschaffung unserer Systeme verbessern, die Innovationspartnerschaft bot sich dazu an.“

Prof. Dr. Martin Schulz, Mitglied des Direktoriums des LRZ und Inhaber des Lehrstuhls für Rechnersysteme und Parallele Architekturen TUM: „In punkto Geschwindigkeit und Energiebedarf stoßen Allzweck-Systeme im Supercomputing an ihre Grenzen. Um höhere Leistungen zu erzielen, brauchen wir System-Architekturen, die passgenau auf die Anforderungen der Nutzer:innen zugeschnitten sind. Ein Knackpunkt ist die Bewegung der Daten – denn die ist äußerst energieintensiv. Gefragt sind also Ansätze, mit denen wir die Datenbewegungen im System minimieren können. Das erreichen wir nur mit hoch-integrierten Systemen und kurzen Datenwegen.“

Justin Hotard, Executive Vice President und General Manager, HPC, AI & Labs, HPE: „HPE liefert die weltweit führenden Technologien, die das Exascale-Zeitalter eingeläutet haben. Exascale wird neue wissenschaftliche Durchbrüche ermöglichen, indem es traditionelle Modellierung und Simulation mit KI im großen Maßstab kombiniert – es wird sogar die Grenzen der Technik verschieben, um eine Brücke zu Quanten-Innovationen zu schlagen. Das Leibniz-Rechenzentrum ist eines der weltweit führenden Supercomputer-Zentren, und wir freuen uns, mit ihm zusammenzuarbeiten, um herauszufinden, wie es die wissenschaftliche Forschung mit der monumentalen Leistung des Exascale-Computings erheblich erweitern kann. Wir planen auch, neue Ansätze zur Verbesserung der Kühleffizienz und Nachhaltigkeit mit Systemdesigns zu erforschen, die eine noch nie dagewesene Leistung liefern.“

Kirk Skaugen, Executive Vice President Lenovo und President Infrastructure Solutions Group (ISG):
„Für Lenovo ist das Leibniz-Rechenzentrum seit langem ein herausragender Partner. Unsere Innovationspartnerschaft für den geplanten Exascale-Supercomputer bietet uns eine tolle Möglichkeit, Lösungen zu entwickeln, die Forschern ihre Arbeit erleichtern und deren Projekte beschleunigen sollen – bei gleichzeitig bestmöglicher Energieeffizienz. Wir wünschen allen Beteiligten eine faire und erfolgreiche Partnerschaft, sodass das LRZ mit dem Abschluss dieses Projektes über ein für seine Nutzer optimales Exascale-System verfügt.“

Weiterführende Informationen:

• Rund 250 Millionen Euro von Freistaat und Bund für bayerischen Supercomputer – Pressemeldung des Bay. Wissenschaftsministeriums
• Partnerschaftlich in die Zukunft – ein Hintergrundbericht