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Highlights der PhysiK

Wofür braucht man eigentlich Supercomputer?

Was ist ein Supercomputer?

Obwohl wir für viele physikalische Probleme die Gleichungen gut kennen,?kann man oft diese Gleichungen nicht mehr mit Paper & Bleistift l?sen.?Das liegt nicht daran, dass wir die Mathematik nicht verstehen,?sondern daran, dass es keine L?sung gibt, die man mit der Hand?hinschreiben k?nnte. Hier helfen uns Computer: damit k?nnen wir?eine sehr gute N?herung der L?sung berechnen. Hierzu müssen oft viele?Trilliarden an Rechenoperationen (Addition, Multiplikation)?durchgeführt werden. Damit man auf das Ergebnis nicht viele Jahre?warten muss, verwendet man besonders leistungsf?hige Prozessoren?und man schaltet diese Computer zu einem?gro?en Computer zusammen. Rechnen nun alle Computer gleichzeitig?und kooperativ an der L?sung eines Problems, so spricht man von?einem Supercomputer.

QPACE

Der Betrieb eines Supercomputers ist nicht einfach: man muss die?Programme besonders strukturieren, damit wirkich alle Computer?gleichzeitig und kooperativ an der L?sung arbeiten. Zudem ben?tigt?ein Supercomputer viel Energie und muss auch entsprechend gekühlt?werden. Eines der Ziele der QPACE-Rechner ist es, m?glichst wenig?zus?tzliche Energie für die Kühlung auszugeben, denn auch der Betrieb?einer Klimaanlage oder kaltes Wasser bedeuten einen zus?tzlichen?Energiebedarf.

Deswegen wurde QPACE-2 so konstruiert, dass trotz eines Bedarfs an?ca. 100~kW keine zus?tzliche Kühlung notwendig war, sondern auch im?Hochsommer alleine mit der Au?entemperatur ein Betrieb m?glich war.?Ein anderes Projekt (iDataCool) zeigte sogar, dass ein Betrieb mit hei?em Wasser?als Kühlmittel m?glich war, so dass man mit der W?rme der Rechner?eine W?repumpe betreiben kann um andere Rechner zu kühlen.

QPACE-4 verwendet ARM-Prozessoren von Fujitsu, die besonders für paralleles Rechnen geeiget sind. Jeder Prozessor hat?48 Kerne, mit 1,8 GHz getaktet. Jeder kern besitzt 4 Recheneinheiten, von denen jede 8 Rechnungen parallel ausführen kann.*
(Bei den meisten Rechnungen arbeiten dann mehrere dieser Prozessoren zusammen.)

Netzwerk

Damit die Rechner aber wirklich zusammenarbeiten k?nnen, müssen Sie?alle miteinander Verbunden werden. Dazu kommen spezielle Netzwerke?zum Einsatz. Das normale Ethernet wie man es aus Heimanwendungen kennt,?ist da meist zu langsam. Zus?tzlich zum Supercomputer ben?tigig man?auch noch Festplatten oder andere Medien um die Ergebnisse der?Berechnungen abzuspeichern. Je nach Anwendung und System k?nnen dies?mehrere tausend Terabyte sein.

Was wird berechnet?

Welche Probleme rechnen wir nun auf QPACE? Unsere Gruppe rechnet?haupts?chlich Probleme der Physik der starken Wechselwirkung,?als derjenigen Kraft, die Quarks in Protonen, Neutronen und anderen?Baryonen zusammenh?lt. Aus dem Vergleich der Vorhersagen der Rechnungen?mit Messungen kann man auf ?neue Physik“ — als bislang unentdeckte?Effekte oder neue Teilchen — schlie?en. Daten dazu werden in?gro?en Experimenten, an Teilchenbeschleunigern wie beispielsweise?am CERN oder am FAIR, gewonnen.?Andere Gruppen berechnen z.B. das Verhalten neuer Werkstoffe?oder von Nanomaterialen.

Wie benutzt man nun einen Supercomputer?

Anders als bei einem?Heim-PC sitzt niemand direkt an einem Bildschirm. Die Computer sind?in einem Rechenzentrum untergebracht und laufen meist rund um die Uhr.?Die Berechnungen sind sehr aufw?ndig und k?nnen auch auf einem?Supercomputer viele Wochen dauern. Wir verwenden als Betriebssytem?Linux?. Die Programme, welche die physikalischen Berechnungen?ausführen sind selbst geschrieben. In vielen F?llen gibt es dafür?keine Firmen, bei denen man so etwas kaufen k?nnte, sondern das?Programmieren ist Teil der Arbeit als Wissenschaftler. Programmiert?wird an einfachen Rechern oder am Laptop. Von dort aus kann man dann?Programme auf dem Supercomputer starten, und sich sp?ter das Ergebnis?abholen.