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Schneller sparsamer rechnen: Asiens Super-Supercomputer

Supercomputer-Top-500 Linux schlägt Windows

China ist schnell, Japan grün: In China steht zwar der schnellste Supercomputer der Welt. Japan macht allerdings vor, wie man mit ganz ähnlicher Technik noch sparsamer rechnen kann - mit einem Linux-Betriebssystem. Die Windows-Alternative arbeitete langsamer.

Das Rennen ist gelaufen, die Entscheidung ist gefallen: Der chinesische Großrechner "Tianhe-1a" rechnet am schnellsten. Angetrieben von insgesamt 186.368 Prozessorkernen übernimmt der Mega-Computer in der chinesischen Industriestadt Tianjin die Spitzenposition der Rechenleistungsliga, steht auf Platz 1 der Top-500-Liste der Supercomputer .

Sein Sieg ist nicht nur ein Indiz dafür, dass Supercomputer keine Domäne der westlichen Welt mehr sind. Er markiert auch einen Wandel bei der Konstruktion solcher Riesenrechner. Zwar braucht er, genau wie vergleichbare Anlagen, enorm viel Platz. Insgesamt 112 Computerschränke belegen die 7168 Doppelprozessor-Server, aus denen er zusammengeschaltet ist. Doch seine Besonderheit ist, dass es nicht die PC-Prozessoren, die CPUs, sind, die seine brachiale Rechenleistung erzeugen. Stattdessen sind es Grafikchips, die sogenannten GPUs, die die Hauptarbeit erledigen. Es sind fast dieselben Chips, die bei Heimcomputern dafür sorgen, dass Spiele wie "FarCry" oder "Starcraft II" besonders realistische Bilder auf den Bildschirm zeichnen.

In dem chinesischen Rechner mit dem galaktischen Namen ("Tianhe" kann als "Milchstraße" oder "Galaxis" übersetzt werden) dienen sie freilich einem ganz anderen Zweck, sollen für die Forschung eingesetzt werden. Dass "Tianhe-1a" sich auf der halbjährlich zusammengestellten Bestenliste der Supercomputer auf den ersten Platz schieben würde, hatte sich schon vor zwei Wochen angedeutet. Bei Testläufen der Riesenmaschine war deren Leistung auf 2,5 Petaflops bestimmt worden. Eine Petaflops, das sind eine Billiarde Rechenaufgaben mit Gleitkommazahlen, die pro Sekunde berechnet werden können ( mehr auf Wikipedia... ).

Um etwas plastischer zu veranschaulichen, was das bedeutet: Als die Rangfolge der schnellsten Supercomputer 1993 zum ersten Mal, damals noch als Top-Ten-Liste, zusammengestellt wurde, landete ein Cray-Großrechner von Typ Y-MP C916/16526 auf dem zehnten Platz. Aus seinen 16 Rechenkernen zog der schick designte Zahlenfresser eine Leistung von 13,7 Gigaflops, was laut Slashdot  heute einem Mittelklasse-Notebook entspricht. Die 2,5 Petaflops von "Tianhe-1a" hingegen entsprächen in etwa der Leistung von 175.000 Notebooks, rechnet nVidia, der Hersteller der Grafikchips in "Tianhe-1a", vor.

Genügsame vier Megawatt

Offiziell wurde die Führungsposition des chinesischen Superrechners am Sonntag bestätigt. Der neue Top-500-Liste zufolge ist "Tianhe-1a" mit einer Leistung von 2,566 Petaflops nicht nur erheblich schneller als der bisher mit 1,759 Petaflops führende "Jaguar", er schafft das auch noch mit erheblich geringerem Aufwand und Stromverbrauch. Im direkten Vergleich benötigt das chinesische Modell fast ein Viertel weniger Rechnerkerne, was sich direkt in seinem Stromverbrauch niederschlägt. Während der US-Zahlenfresser sich im Betrieb fast sieben Megawatt aus dem nahegelegenen Kraftwerk zieht, begnügt sich sein chinesisches Gegenstück mit vergleichsweise genügsamen vier Megawatt.

Doch selbst dieser Wert wird noch unterboten. Der aktuelle Stromspar-Supercomputer ist ein japanischer Rechner. Die Technische Hochschule Tokio hat mit "Tsubame 2.0" den derzeit effizientesten Computer der Petaflops-Klasse gebaut. Er erreicht mit 1,19 Petaflops zwei Drittel der Leistung von "Jaguar", benötigt dafür aber nur 1,4 Megawatt Strom, hat also nur ein Fünftel des Energiebedarfs von "Jaguar".

Windows fehlen fünf Prozent

Nebenbei ist "Tsubame 2.0" damit der sparsamste Windows-Computer der Welt, nur eben etwas größer als andere. Zum Test ließen die japanischen Forscher Microsofts Supercomputer-Betriebssystem Windows HPC 2008 auf "Tsubame 2.0" laufen und beobachteten erstaunt, wie das System die Petaflop-Grenze durchbrach. Der dabei gemessen Gigaflop-pro-Watt-Wert, also die pro Watt erreichbare Rechenleistung, sei dreimal so hoch gewesen wie bei einem handelsüblichen Notebook.

Das trotz dieses erfreulichen Ergebnisses nur fünf der 500 schnellsten Rechner mit Windows HPC 2008 arbeiten und auch für "Tsubame 2.0" ein Linux-Messwert in der Top-500-Liste erscheint, hat einen pragmatischen Grund: Linux ist einfach schneller. Im Falle von Tsubame 2.0" sind es fünf Prozent, um die das Open-Source-Betriebssystem Windows übertrumpft. Das mag gering erscheinen, ist in den Größenordnungen eines Supercomputers aber ein stattlicher Wert.

Ein Teil der Leistung verpufft

Genau wie Spitzenreiter "Tianhe-1a" nutzt auch "Tsubame 2.0" Grafikkarten als Rechenknechte. Die sind auch zum Großteil für seinen vergleichsweise geringen Energiebedarf verantwortlich. Der Trick: Die Grafikchips können große Datenmengen schneller verarbeiten weil sie mehrere Aufgaben parallel erledigen. So kommen sie schneller zum Ergebnis, verbrauchen dabei weniger Strom und sind außerdem billiger in der Anschaffung.

Grafikchip-Hersteller nVidia etwa rechnet werbewirksam vor, welche Vorteile das sogenannte GPU-Computing bringt. Um die 7168 Grafikchips, die in "Tianhe-1a" 14.336 CPUs zur Seite stehen zu ersetzen, müsste man die Prozessorzahl auf 50.000 erhöhen, was den Stromverbrauch - und damit die Betriebskosten - auf 12,7 Megawatt verdreifachen würde. Beispielhaft rechnet das Unternehmen vor, man habe bei einem theoretischen Budget von zwei Millionen Dollar heute die Wahl entweder einen CPU-basierten Computer zu bauen, der mit 550 Prozessoren eine Leistung von 25 Teraflops erreicht oder einen GPU-basierten Rechner aus 400 Grafikkarten zu bauen, der die vierfache Leistung erreicht.

Schlagende Argumente, will man meinen, doch haben GPU-Computer einen Haken: Sie müssen anders programmiert werden als herkömmliche Rechner, erfordern von den Entwicklern ganz andere Entwicklungsansätze - und die müssen erst einmal vermittelt werden. Dass es da noch hapert, nimmt "The Register"  zum Anlass, kräftig über die Grafikchip-Turbos zu lästern. Die GPUs in "Tianhe-1a" etwa würden nur rund die Hälfte ihrer Kraft sinnvoll verwenden, 47 Prozent ihrer Fließkommaleistung bliebe ungenutzt. Ausgedrückt wird das in der Top-500-Liste durch den Wert der theoretischen Spitzenleistung, die bei "Tianhe-1a" 4,7 Petaflops beträgt. Der günstige Preis der Hardware und die geringen Betriebskosten wiegen diesen Nachteil offenbar auf.

Alles nur im Westen gekauft?

Nur deshalb, so lässt Charlie Zender, Professor an der University of California, Cnet  wissen, sei es den Chinesen überhaupt möglich gewesen, an die Spitze zu kommen. Die Ehre, den schnellsten Supercomputer zu besetzen - traditionell ein teures Vorrecht amerikanischer Forschungseinrichtungen - hätte die Supermacht vom anderen Ende der Welt dem Westen ja quasi abgekauft, indem sie massenweise Intel- und nVidia-Chips in den USA einkaufte.

Dabei lässt Zender außer acht, dass die Technik, mit der die 7168 Server vernetzt wurden, ebenso wie die Software, die auf "Tianhe-1a" läuft, chinesische Entwicklungen sind. Stattdessen erklärt Zender, dass sich heute jedes Land, das motiviert genug ist und die nötigen Ressourcen hat, einen Supercomputer aus Standard-Komponenten zusammenbauen kann.

Allerdings baut China eine eigene Chip-Industrie auf. Bereits in ein, zwei Jahren könnte es soweit sein, dass die ersten chinesischen Hochleistungschips bereit stehen, sagte Jack Dongarra von der University of Tennessee der "New York Times". Zeit genug für Zender, sich bis dahin ein paar neue Argumente zurecht zu legen. Nur für den Fall, dass China es dann aus eigener Kraft schaffen sollte, seine Position als Supercomputer-Supermacht zu behaupten. Man weiß ja nie.

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