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Supercomputer: Die Simulation der ganzen Welt

Seit April ist in Japan ein Supercomputer in Betrieb, der ob seiner gigantischen Rechenleistung die amerikanische Konkurrenz das Fürchten lehrt.


Die USA sind schwer gedemütigt: Eine fremde Nation hat ihnen auf ihrem ureigensten Feld, der Hochtechnologie, den Rang abgelaufen. Der leistungsstärkste Computer der Welt steht seit diesem Frühjahr nicht mehr wie bisher noch stets auf ihrem Territorium, sondern in Japan. Und er ist seinen Konkurrenten nicht etwa nur knapp, sondern haushoch überlegen: Der "Earth Simulator", betrieben vom Zentrum für Meereswissenschaft und -technik (Japan Marine Science and Technology Center, Jamstec), rechnet mit 35 Teraflops (35 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde) fünfmal so schnell wie der bisherige Spitzenreiter "ASCI White" vom Lawrence-Livermore-Nationallaboratorium in Livermore (Kalifornien) oder so schnell wie die Nummern 2 bis 20 der Weltrangliste zusammen.

Während der vergangenen Jahrzehnte folgte die Leistung des jeweils stärksten Rechners, auf einer logarithmischen Skala über der Zeit aufgetragen, annähernd einer Geraden – ein Zusammenhang, der als Moore’sches Gesetz berühmt geworden ist. Diese Kurve hat jetzt einen kräftigen Knick nach oben bekommen.

Jack Dongarra von der Universität von Tennessee, der gemeinsam mit anderen die Weltrangliste der 500 schnellsten Computer führt, ging in einem Artikel in der "New York Times" so weit, von einem "Computenik-Schock" zu sprechen – in Anspielung auf den Sputnik-Schock, den die Sowjetunion mit dem Start des ersten Raumflugkörpers 1957 den USA versetzt hatte. Der Vergleich hinkt freilich, denn von einer Überraschung kann diesmal keine Rede sein. Planung und Bau des Earth Simulator spielten sich in aller Öffentlichkeit ab. Im Juni 2001 wurde das 1997 gestartete Projekt auf der alljährlichen Supercomputer-Konferenz in Heidelberg in allen Einzelheiten vorgestellt. Und als Jamstec-Chef Tetsuya Sato auf der diesjährigen Tagung über die ersten Ergebnisse berichtete, gab es jenseits aller nationalen Rivalität ehrlichen Beifall auf offener Bühne.

Vermutlich wollte Dongarra mit seiner zugespitzten Formulierung denn auch nur erreichen, dass die Geldquellen ähnlich munter sprudeln wie damals nach dem Sputnik-Schock. Immerhin haben es die japanischen Erbauer des Earth Simulator fertig gebracht, ihrer Regierung eine für zivile Zwecke außergewöhnlich hohe Geldsumme zu entlocken.

Rohe Rechenleistung ist dank der Massenproduktion an standardisierten Mikroprozessoren ("Chips") heutzutage vergleichsweise wohlfeil zu haben. Aus Kostengründen sind die Konstrukteure von Hochleistungsrechnern sogar davon abgekommen, die benötigten Chips eigens entwerfen zu lassen. Was bringt ein Prozessor mit – sagen wir – der zehnfachen Leistung, wenn er wegen der geringen Stückzahl hundertmal so viel kostet? Man kompensiert durch Masse, was dem einzelnen Chip an Geschwindigkeit fehlt, und kann sich im Extremfall sogar mit Material aus Schrott-PCs zufrieden geben (siehe Spektrum der Wissenschaft 03/2002, Seite 88).

Allerdings muss ein solcher massiv-paralleler Rechner betrieben werden wie eine Manufaktur, die sämtliche Aufgaben von Tagelöhnern in Heimarbeit erledigen lässt. Rohware abholen und Fertigware anliefern kostet zwar Zeit, aber das fällt nicht besonders ins Gewicht, weil der Heimarbeiter an einem Werkstück eine ganze Weile allein zu tun hat – und Tagelöhner sind billig!

Nur ist es nicht immer möglich oder zweckmäßig, eine große Aufgabe in kleine, arbeitsintensive Portionen zu zerlegen. Vor allem aber sind die Tagelöhner in den letzten Jahren zwar mit dem Arbeiten geradezu atemberaubend schneller geworden, aber nicht mit dem Holen und Liefern: Die Geschwindigkeiten für die Datenübertragung unter Prozessoren und für den Speicherzugriff haben mit dem dramatisch angestiegenen Rechentempo nicht Schritt gehalten.

Deshalb ist beim Earth Simulator ein Computertyp, der seit jeher eine Stärke japanischer Hersteller war, aber eigentlich überholt schien, unerwartet zu neuen Ehren gekommen: der so genannte Vektorrechner. Statt Tagelöhnern in Heimarbeit beschäftigt er gleichsam Tausende von Fließbandsklaven damit, auf ein zentrales Kommando sehr einfache, kleine Handgriffe zu tun. Ein einziger Prozessortakt vergeht, und schon haben tausend Rechenknechte je zwei Zahlen multipliziert. In den nächsten Takten wird die Summe all dieser Produkte gebildet und mit ihr (dem "Skalarprodukt zweier Vektoren") weitergearbeitet. Ein Vektorrechner ist einem Verbund aus Einzelprozessoren weit überlegen, wenn die Aufgabe im Wesentlichen aus den geschilderten sehr einfachen Tätigkeiten besteht.

Das trifft auf den Earth Simulator zu. Seinem Namen getreu soll er nichts weniger simulieren als die ganze Erde; gemeint sind einerseits Wetter und Klima für den gesamten Globus einschließlich der Temperaturen von Land- und Meeresoberfläche, andererseits die Bewegungen der Erdkruste – für Japan ein Thema von besonderem Interesse.

Die ganze Erde im Netz

Wie üblich werden für diese Berechnungen gedachte Netze auf die Erdoberfläche und in den Luftraum darüber gelegt. Vorgänge wie Erwärmung, Verdunstung oder Luftbewegung erfasst der Computer nicht für jeden Punkt der Atmosphäre (was ohnehin unmöglich wäre), sondern ersatzweise für jeden Netzknoten. Aus dem gegebenen Zustand des ganzen Netzes berechnet er denjenigen zu einem etwas späteren Zeitpunkt, daraus den nächsten und so weiter.

Neu am Earth Simulator ist die Anzahl der Knoten: Mit einer typischen Gitterweite von rund zehn Kilometern (einem zehntel Grad) in der Horizontalen und 54 Stockwerken ist sein Netz um eine ganze Größenordnung engmaschiger als alles, was bisher zur globalen Wettersimulation diente. Damit gehen ihm auch lokale Phänomene wie Taifune oder die besonderen meteorologischen Verhältnisse in engen Gebirgstälern nicht mehr durch die Maschen.

Beim Wetter hängt alles mit allem zusammen: Jeder Knoten beeinflusst auf die Dauer jeden anderen. Wie kann man dem in der Simulation Rechnung tragen?

Wenn man der Einfachheit halber jeden Knoten nur auf seine unmittelbaren Nachbarn einwirken lässt, stellen sich die Fernwirkungen erst nach und nach ein. Deshalb muss man möglichst kleine Zeitschritte wählen, um ein realistisches Ergebnis zu erhalten. Dieses "explizite" Verfahren eignet sich für das Parallelrechnen, weil es erlaubt, jedem Heimarbeiter ein begrenztes Teilgebiet der Erd-oberfläche zur Bearbeitung zuzuweisen.

Die Alternative ist, alle unbekannten Werte in ein großes Gleichungssystem zu schreiben und dieses nach sämtlichen Unbekannten zugleich aufzulösen. Bei diesem "impliziten" Verfahren werden die Fernwirkungen direkt berücksichtigt, sodass man die Zeitschritte weit größer wählen kann als bei der expliziten Variante. Diese Vorgehensweise ist wie geschaffen für die Vektorverarbeitung; denn der aufwendigste Teil der Arbeit bei der Lösung großer Gleichungssysteme besteht in der Berechnung von Skalarprodukten.

Bei einem feinmaschigen Netz über der ganzen Erde übersteigt die Anzahl solcher Berechnungen allerdings selbst die Kapazitäten eines Vektorrechners. Deswegen arbeiten im Earth Simulator 5120 Vektorprozessoren der Firma NEC zusammen und bilden einen Parallelrechner aus Vektor-Komponenten. Durch geschickte Auslegung der Einzelteile, vor allem der Kommunikationshardware, und die Beschränkung auf einen speziellen Verfahrenstyp gelingt es den Betreibern, die Prozessoren zu ungefähr 85 Prozent der Zeit tatsächlich zu beschäftigen, was für einen Parallelrechner ein sensationell guter Wert ist. Auf diese Weise konnte der Earth Simulator, wie Sato in seinem Vortrag berichtete, bereits mit einem Viertel seiner Kapazität die weltweite Temperaturverteilung der Ozeane in guter Näherung an die Realität für ein ganzes Jahr aus den Anfangsdaten berechnen.

Der Grobaufbau des Systems spiegelt seine Funktionsweise durchaus sinnfällig wider. In der Mitte der 50 mal 75 Meter messenden Halle stehen 65 kleiderschrankgroße Behälter für Prozessoren, die nichts weiter tun, als Daten zwischen den eigentlichen Rechnern hin- und her-zuleiten. Letztere stecken in 320 Schränken, die die Kommunikationsprozessoren ringförmig umgeben. Weitere Schränke ganz außen beherbergen den ebenfalls reichlich bemessenen Speicher.

Unmittelbar nach Satos Vortrag beeilte sich Dona Crawford, die Chefin der Rechnerabteilung von Lawrence Livermore, in ihrem Konferenzbeitrag schon für 2004 einen Rechner namens Blue Gene anzukündigen, der den Earth Simulator an Geschwindigkeit noch übertreffen soll. Allzu lange können die Amerikaner die Schande, bei Supercomputern nicht die Ersten zu sein, eben nicht auf sich sitzen lassen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 2002, Seite 14
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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