Schnell und sparsam! Forschungsrechner QPACE ist energieeffizientester Supercomputer der Welt

Entwickelt wurde QPACE von einem Konsortium aus Universitäten und Forschungszentren sowie dem deutschen IBM Forschungs- und Entwicklungszentrum in Böblingen im Rahmen eines staatlich geförderten Forschungsverbundes.

Innerhalb des Konsortiums haben unter Führung der Universität Regensburg die Forschungszentren DESY und Jülich zentrale Aufgaben übernommen. Weitere Mitglieder sind die Bergische Universität Wuppertal, die Universität Ferrara (Italien), die Universität Milano-Bicocca (Italien) sowie die Firmen Eurotech, Knürr, Zollner und Xilinx.

QPACE wurde Mitte 2009 mit jeweils vier Racks am Forschungszentrum Jülich und an der Bergischen Universität Wuppertal in Betrieb genommen. Zum zweiten Mal in Folge führt er die Liste der energieeffizientesten Rechner in der Green500 an. QPACE wird für die Simulation fundamentaler Naturkräfte in der Elementarteilchenphysik eingesetzt, insbesondere für Simulationen im Forschungsbereich der Quantenchromodynamik (QCD). Die QCD beschreibt zum Beispiel, wie sich ein Proton aus Quarks und Gluonen aufbaut. Genutzt wird QPACE von den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Sonderforschungsbereichs/Transregio 55 „Hadronenphysik mit Gitter-QCD“, der an den Universitäten Regensburg und Wuppertal angesiedelt ist und von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) unterstützt wird. Sprecher des Forschungsverbundes ist Prof. Dr. Andreas Schäfer; Leiter des QPACE-Projekts ist Prof. Dr. Tilo Wettig. Beide Physiker lehren und forschen an der Universität Regensburg.

Energieeffizienz als neues Kriterium für die Entwicklung von Supercomputern:
In der Welt der Supercomputer wurde Leistung oder „performance“ lange Zeit ausschließlich mit Rechengeschwindigkeit in Verbindung gebracht. Diese Zielrichtung hat dazu geführt, dass vermehrt Rechner entwickelt wurden, die eine enorme Menge an Energie verbrauchen. Die Energieeffizienz blieb als maßgeblicher Faktor zumeist außen vor. Erst mit dem verstärkten Aufkommen von Diskussionen um Rohstoff- und Energieknappheit in den letzten Jahren gewannen auch diese Aspekte für die Entwicklung von Supercomputern an Bedeutung. Neben der Top500-Liste der schnellsten Rechner entwickelte sich die Green500-Liste der Supercomputer mit dem geringsten Energieverbrauch zu der zweiten relevanten Meßlatte im Supercomputing.
Das Konzept von QPACE: richtungsweisend für künftige Hochleistungsrechner:
Herzstück von QPACE ist der IBM PowerXCell 8i-Prozessor, eine Weiterentwicklung des Cell/B.E.-Prozessors, der ursprünglich von Sony, Toshiba und IBM für die Sony Playstation 3 entwickelt wurde. Der Chip mit seinen neun Prozessorkernen zeichnet sich dadurch aus, dass er eine sehr große Zahl von Berechnungen parallel und in hoher Geschwindigkeit durchführen kann. Das neuartige Konzept von QPACE besteht darin, die Prozessoren mit einem Netzwerk von programmierbaren Bauteilen, sogenannten Field Programmable Gate Arrays (FPGA), zu einem leistungsstarken, skalierbaren Rechner zu verbinden. Der Supercomputer QPACE belegt einen respektablen Platz 131 in der TOP500-Liste, der Weltrangliste der schnellsten Supercomputer der Welt, mit einer Spitzenleistung von 55 Teraflop/s. Mittlerweile wurde er noch erweitert: Jede der beiden QPACE-Installationen in Jülich und Wuppertal kann eine maximale Leistung von 100 TeraFlops (double precision) erreichen. Das entspricht 100 Billionen (100.000.000.000.000) Rechenoperationen pro Sekunde. Aufgrund der Skalierbarkeit des Netzwerks ist es prinzipiell möglich, die Leistung in den PetaFlop-Bereich (eine Billiarde Operationen pro Sekunde) zu steigern. Die für das QPACE-Projekt entwickelten Technologiekonzepte sind richtungsweisend für künftige Hochleistungsrechner. Ein Beispiel dafür ist das neuartige, im IBM Forschungs- und Entwicklungszentrum Böblingen entwickelte Kühlkonzept, das wesentlich zur Energieeffizienz zukünftiger Supercomputing-Installationen beitragen kann.
Weitere Anwendungsbereiche als Perspektive:
Die Kosten für QPACE in Höhe von etwa drei Millionen Euro werden von der DFG sowie von den Bundesländern Bayern und Nordrhein-Westfalen getragen. Die Entwicklungskosten teilen sich das Konsortium und IBM. Zusätzliche Fördermittel im Rahmen des eQPACE-Projekts der europäischen Forschungsinitiative PRACE (Partnerschip for Advanced Computing in Europe) dienen dazu, allgemeine Kommunikationsstrukturen für das FPGA-Netzwerk zu entwickeln und QPACE so für ein breiteres Anwendungsspektrum zu öffnen. Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert, Leiter des Jülich Supercomputing Centers und gleichzeitig Inhaber einer Professur für computergestützte theoretische Physik an der Bergischen Universität Wuppertal, erklärt in diesem Zusammenhang: „Die Entwicklung energieeffizienter Hochleistungscomputer für alle Anwendungsbereiche ist eine zentrale Zukunftsaufgabe und ein Schwerpunkt der Jülicher Forschungsaktivitäten.“
Weitere Informationen zu QPACE unter:
http://arxiv.org/pdf/0911.2174
Nähere Angaben zum Green500-Ranking:
http://www.green500.org
Supercomputing im Forschungszentrum Jülich:
http://www.fz-juelich.de/supercomputer
Technische Daten von QPACE:
Typ: Massiv paralleler Supercomputer
Leistung: 26 TFlops pro Rack (double precision)
Prozessoren: 256 pro Rack
Prozessortyp: PowerXCell 8i
Hauptspeicher: 1 Terabyte pro Rack
Racks: 8 (4 in Jülich, 4 in Wuppertal)
Netzwerklatenz: 3 Mikrosekunden
Netzwerkbandbreite: 6 Gigabyte/s pro Knoten
Leistungsaufnahme: ca. 30 Kilowatt pro Rack
Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Tilo Wettig
Universität Regensburg
Institut für Theoretische Physik
Tel.: 0941 943-2004
Tilo.Wettig@physik.uni-regensburg.de