Hightech der allerneuesten Generation an der Universit?t Paderborn

Der neue Superrechner ?Noctua 2‘ ist das Herzstück des 2022 eingeweihten Hochleistungsrechenzentrums der Universit?t Paderborn. Forschende bundesweit nutzen die Rechenkapazit?ten der Hochleistungsrechnersysteme, um anspruchsvollste Computersimulationen und Wissenschaft auf h?chstem Niveau zu betreiben.

Die Natur beobachten, Experimente durchführen und auswerten, theoretisch arbeiten: So haben Forschende gearbeitet, bevor der erste Computer erfunden wurde, um bestimmte Prozesse, Abl?ufe und Entwicklungen nachzuvollziehen. Mit modernsten Computerprogrammen haben Wissenschaftler*innen heute zus?tzlich die M?glichkeit, sich durch pr?zise Simulationen und Modellen der Wirklichkeit immer mehr anzun?hern. Die Vorteile der sogenannten rechnergestützten Wissenschaften sind unbestreitbar: Experimente, die extrem aufwendig, teuer, gef?hrlich oder schlicht unm?glich w?ren, k?nnen auf dem Rechner simuliert werden. Anstatt also beispielweise viele aufw?ndige Experimente durchzuführen, um überhaupt erst einmal herauszufinden, welches Material sie nutzen wollen, k?nnen Forschende zun?chst berechnen, welches Potenzial verschiedene Materialien haben – bevor sie in die experimentelle Phase einsteigen. Au?erdem k?nnen mithilfe von Simulationen Vorhersagen über zukünftige Entwicklungen, beispielsweise im Bereich Klimawandel, getroffen werden. In verschiedenen Szenarien wird berechnet: Was ver?ndert sich, wenn unsere Durchschnittstemperatur um drei Grad Celsius steigt? Was, wenn sie nur um zwei Grad steigt? Weitere Vorteile sind die perfekte Reproduzierbarkeit und die Tatsache, dass am Rechner gewonnene Ergebnisse neue Erkl?rungen liefern k?nnen, warum etwas passiert. Forschende haben mit Superrechnern die M?glichkeit, innerhalb kurzer Zeit riesige Datenbest?nde zu durchforsten und Muster zu erkennen.

In Paderborn besch?ftigen sich seit Anfang 2022 insgesamt 140.000 kompakt verbaute Prozessorkerne im Supercomputer ?Noctua 2‘ mit hochkomplexen Aufgaben. Betrieben wird der Rechner vom Paderborn Center for Parallel Computing PC2, einem zentralen wissenschaftlichen Institut der Universit?t. Die Kompetenzen des Instituts liegen in Berechnungen von atomistischen Simulationen, Computerphysik und Optoelektronik. Dafür werden in Paderborn auch Computerprogramme entwickelt und angewendet.

?Mit einem Superrechner ist es wie mit einer Zeitmaschine, denn damit k?nnen wir heute schon berechnen, was mit herk?mmlichen Rechnern erst in zehn Jahren m?glich w?re. Diesen Zeitvorsprung müssen wir effizient nutzen und uns den Themen widmen, die für unsere Gesellschaft relevant sind – so wie nachhaltige Energietechnik“,

erkl?rt Prof. Dr. Thomas Kühne, Chemiker und stellvertretender Vorsitzender des PC2. ?Wie mit einem Mikroskop k?nnen wir mithilfe von ?Noctua 2‘ n?her an die Dinge heran – mit dem Unterschied, dass wir hier beispielsweise einzelne Atome und ihre Wechselwirkungen sehen, also besser als mit jedem Mikroskop im Labor. Und das Ganze l?uft extrem schnell ab: Wir k?nnen eine Vielzahl von Simulationen innerhalb kürzester Zeit durchführen und so Millionen von Strukturen austesten. Diese tiefere Einsicht in die Prozesse hilft uns etwa dabei zu verstehen, wie bestimmte chemische Reaktionen auf atomarer Ebene ablaufen.“

Die Fragestellungen, die mit dem Superrechner in Paderborn behandelt werden, sind vielf?ltig. Im Fokus der Forschung von morgen stehen unter anderem nachhaltige Energiekonversion durch Solarzellen und die klimafreundliche Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff.

Bei der photokatalytischen Wasserspaltung wird die Energie des Sonnenlichts genutzt, um Wasserstoff – einen wichtigen Baustein für die Energiewende – zu gewinnen. In dem Prozess k?nnen Katalysatoren genutzt werden, um den Vorgang zu beschleunigen, effizienter zu gestalten und mehr Wasserstoff zu erhalten. Doch welcher Katalysator ist der beste? ?Mit von uns entwickelten Computerprogrammen k?nnen wir auf ?Noctua 2‘ zum einen beobachten, warum einige Katalysatoren besser oder schlechter funktionieren, und zum anderen k?nnen wir neue Verbindungen finden, die unsere experimentell arbeitenden Kollegen*innen anschlie?end im Labor herstellen k?nnen und die gleichzeitig effizienter als bereits genutzte Katalysatoren sind“, erl?utert Kühne.

Ein anderes Beispiel sind Tandem-Solarzellen, deren einzelne Schichten sowohl die Energie des Sonnenlichts effizient umwandeln k?nnen als auch lichtdurchl?ssig sind, sodass auch in der zweiten und gegebenenfalls dritten Ebene noch Licht ankommt, das genutzt werden kann. Damit wollen Wissenschaftler*innen den Wirkungsgrad der Zellen erh?hen. Schon mit dem Vorl?ufer, ?Noctua 1‘ konnten die Paderborner verschiedene Materialien für Tandem-Solarzellen vorschlagen, deren Wirkungsgrad bei 23 Prozent lagen.

Viele Universit?ten und au?eruniversit?re Forschungseinrichtungen in Deutschland haben lokale Rechenzentren für den Eigenbedarf. Diese sind oft durch den eigenen Haushalt oder die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziert. Zus?tzlich gibt es die nationalen Hochleistungsrechenzentren (NHR) im NHR-Verbund, aktuell neun (Stand Mai 2022), zu denen auch das PC2 geh?rt. 365体育_足球比分网￥投注直播官网 stellen ihre Superrechner für Nutzer*innen von Hochschulen aus ganz Deutschland zur Verfügung. Der Bund und das Land Nordrhein-Westfalen (NRW) haben den Paderborner Hochleistungsrechner und das neue Hochleistungsrechenzentrum mit F?rdermitteln in H?he von insgesamt 25,4 Millionen Euro aus dem Forschungsbauten-Programm finanziert. Im Rahmen der F?rderung des NHR-Verbundes werden von 2021 bis 2030 zus?tzliche F?rdermittel von bis zu 75 Millionen Euro flie?en.

?Mit ?Noctua 2‘ sind wir in eine v?llig neue Gr??enordnung vorgesto?en – wir geh?ren jetzt zu den Top 10 der akademischen deutschen Rechenzentren“,

freut sich Prof. Dr. Christian Plessl, Computerwissenschaftler und Vorstandsvorsitzender des PC2. Gr??er sind nur noch die drei nationalen H?chstleistungsrechenzentren, die den Gauss Centre for Supercomputing Verbund bilden.

Bei der aktuellen Gr??e soll es jedoch nicht bleiben: ?Wir arbeiten jetzt schon an den Pl?nen für ?Noctua 3‘“, verr?t Plessl. Denn: Das an der Universit?t Paderborn für ?Noctua 2‘ neu gebaute Geb?ude X wurde extra so konzipiert, dass noch zwei Mal so viel Platz vorhanden ist, wie der aktuelle Rechner einnimmt. Auch Kühl- und Brandschutzkonzepte, Stromversorgung sowie Bürofl?chen sind auf Erweiterungsstufen ausgerichtet. Beim Bau des Geb?udes spielte Nachhaltigkeit eine besondere Rolle: Der Strom für ?Noctua 2‘ wird zu 100 Prozent aus Wasserkraft gewonnen und ist damit CO₂-frei. Die Warmwasserkühlung ist hocheffizient und die Abw?rme wird für die Heizung des Geb?udes sowie weiterer Geb?ude genutzt. Die K?ltemaschinen sind allesamt frei von Fluorchlorkohlenwasserstoffen, die früher oft als K?ltemittel eingesetzt wurden, jedoch sch?dlich für die Ozonschicht sind.

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Mitarbeiter*innen aller deutscher Hochschulen haben die M?glichkeit, Rechenzeit auf dem Superrechner zu beantragen. Unabh?ngig davon, ob Forschende an der Universit?t Paderborn selbst, in anderen Universit?ten im Land NRW oder bundesweit arbeiten: In einem Antrag geben sie an, was berechnet werden soll, wie viele Prozessorstunden voraussichtlich ben?tigt werden und was das Ziel ihrer Forschung ist. ?Ein typischer Rechenzeitantrag hat einen Umfang von sechs Millionen Prozessorstunden, die auf unserem Supercomputer innerhalb eines Jahres genutzt werden k?nnen. Diese entspricht der aggregierten Rechenzeit eines Arbeitsplatzrechners mit acht Prozessorkernen über 85 Jahre“, erkl?rt Plessl. Die kleineren Antr?ge werden intern vom PC2 geprüft und freigegeben. Doch: ?Bei sehr umfangreichen Vorhaben mit mehr als zw?lf Millionen Prozessorstunden, wird die wissenschaftliche Qualit?t und Angemessenheit des Ressourceneinsatzes durch externe Gutachter evaluiert.“

Ist ein Vorhaben bewilligt worden, k?nnen die Antragsteller*innen ihr Programm und die Daten, mit denen gerechnet werden soll, in die ?Noctua 2‘-Warteschlange schicken. Sobald die ben?tigte Anzahl an Prozessoren frei wird, startet die Berechnung. Anschlie?end erhalten die Nutzer*innen ihre Ergebnisse zum Download. ?All diese Prozesse laufen in der Regel automatisch ab. Das Zuordnen der freien Kapazit?ten zu den Projekten in der Warteschlange ist ein bisschen wie Tetris, weil hier tausende von Auftr?gen gleichzeitig gerechnet werden und nach einer passenden Lücke gesucht werden muss“, sagt Plessl.   

Das Paderborn Center for Parallel Computing hat seine Wurzeln in der theoretischen Informatik und entwickelte sich in den vergangenen 30 Jahren stets weiter. Heute versteht sich das PC2 auf der einen Seite als Dienstleister für verschiedene Anwender*innen und Nutzer*innen, da es Beratung und Service im Bereich High Performance Computing anbietet. Auf der anderen Seite setzt das PC2 in der Computersystemforschung selbst einen Schwerpunkt durch die Erforschung besonders effizienter Hardwarebeschleuniger-Technologien.

Die Prozessoren im Rechner sind wie Werkzeuge, mit denen Aufgaben bearbeitet werden: Es gibt spezifische und unspezifische Prozessoren, konkret ?Central Processing Units“, kurz CPUs. Diese kann man sich entweder wie einen ganzen Werkzeugkasten (unspezifisch) oder einen Schraubenschlüssel (spezifisch) vorstellen. Nun gibt es Aufgaben, für die nur ein Schraubenschlüssel gebraucht wird – da ist es wenig energieeffizient, den ganzen Kasten mitzunehmen. Je nach Anforderung werden dementsprechende CPUs genutzt. Dann wiederum gibt es aber derart benutzerabh?ngige Aufgaben, dass Hardware-Bausteine speziell dafür programmiert werden müssen. Dies k?nnte, um im Bild zu bleiben, eine Kombination aus Schraubenschlüssel und Pinzette sein. Das sind die FPGAs, ?Field Programmable Gate Arrays“, zu Deutsch: vor Ort programmierbare Schaltkreis-Anordnung. FPGAs sind vollst?ndig spezialisierte Rechenwerke, Verbindungsnetzwerke und Speicher, die massives paralleles Rechnen in der Fl?che erlauben, mit tausenden von gleichzeitigen Operationen. Die Paderborner Computerwissenschaftler*innen sind weltweit führend in diesem Bereich: 365体育_足球比分网￥投注直播官网 untersuchen, wie die Programmierung der FPGAs vereinfacht werden kann, wie anpassbar sie sind, ob es alternative Verfahren dazu gibt. ?Wir haben hier eine europaweit einzigartige Installation von sogenannten FPGAs. Damit ist eine vollst?ndige Spezialisierung des Rechenwerks für die jeweils gegebene Aufgabe m?glich. Wir sehen darin eine extrem vielversprechende Technologie für die Rechnersysteme von morgen“, fasst Plessl zusammen. In ?Noctua 2‘ sind sowohl CPUs, GPUs als auch FPGAs eingebaut – ein einmaliger und vor allem produktiv genutzter Hochleistungsrechner, an dem nicht nur Grundlagenforschung, sondern sehr anwendungsbezogen gearbeitet wird – eben ein Superrechner.

Text: Gesa Seidel, Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing