Leibniz Supercomputing Centre Ausschreibung und Energieeffizienz für das Peatascale System SuperMUC

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1 Leibniz Supercomputing Centre Ausschreibung und Energieeffizienz für das Peatascale System SuperMUC

2 Green IT Morteratsch Gletscher, Schweiz, 1985 Morteratsch Gletscher, Schweiz, Leibniz Supercomputing Centre 2

3 GFlop/s, GByte Evolution of Peak Performance and Memory (Sum over all LRZ systems) 10,000,000 SuperMUC IBM 1,000,000 = 1 Peta fold every 4 years Double every 14.1 Montths HLRB2: SGI Altix Linux-Cluster 100,000 10,000 HLRB1: Hitachi SR Linux-Cluster 1,000 = 1Tera... Fujitsu 100 KSR IBM SP2 Cray T90 10 Cray Y-MP2 Cray Y-MP8 GFlop/s GByte = 1Giga Leibniz Supercomputing Centre 3

4 Annual Power Costs Facing the Petascale Challenge: Power & Cooling Budget LRZ 8,000,000 7,000,000 Energy Cost 2010: / kwh = 4xUSA = 2xF Today: PUE ~1.4 Goal: PUE ~1.15 6,000,000 5,000,000 4,000,000 3,000,000 2,000,000 1,000, Leibniz Supercomputing Centre 5

5 Säulen des energieeffizienten Rechnens 2011 Leibniz Supercomputing Centre 6

6 Leibniz Supercomputing Centre: Facing the Petascale Challenge LRZ as a part of GCS shall become a European Centre for Supercomputing Current Petascale systems have a power requirement of several MW ~100 m2 of floor space for power distribution equipment is needed per MW Power is becoming the biggest issue for supercomputing centres (at least in Europe) System power needed to operate supercomputing systems still increases Desire to drive PUE to as close to 1 as possible Use new cooling technologies (direct liquid cooling, highly optimized indirect cooling technologies) 2011 Leibniz Supercomputing Centre 7

7 Energy to solution benchmark suite 2011 Leibniz Supercomputing Centre 8

8 Accelerated prototype to enhance energy- and cooling efficiency of future HPC systems Adsorbtion Cooling Adsorbtion cooler needs ~ 15 kw of heating capacity Login & Server Nodes & NAS TCP/IP Gateway PRACE 1IP Prototype 10 GigE 10 GigE 4x QDR Infiniband Switch Westmere EP (6 cores) nvidia Fermi RAM Westmere EP (6 cores) nvidia Fermi 1 Chassis with 4 Blades each having 2 nvidia GPGPUs connected to the host processor AMD Magny Cours (8 cores) 4x QDR Infiniband RAM AMD Magny Cours (8 cores) PCIe Gen2 x 16 MEGWARE Saxonid 6100 Compute Blade IB Swich 6x2 IB links 20 Saxonid 6100 Blades IB Swich MEGWARE Saxonid 6100 ClustCool System 5 Chassis with 20 Blades and one Chassis with 12 Blades and two FPGA-based coprocessing subsystems = 112 Blades Accelerators Xilinx FPGA Intel Knights Ferry T-Platforms Compute Blade 2011 Leibniz Supercomputing Centre 9

9 Financing Scheme for Investment and Operating Costs (gross, incl VAT) 50% Free State of Bavaria, 50% Federal German Gov. High End System Phase Phase 2 Investment Costs (Hardware and Software) 53 Mio ~ 19 Mio Operating Costs (Electricity costs and maintenance for hardware und software, 32 Mio ~ 29 Mio additional personnel) FIXED!!! SUM 85 Mio (80+) ~48 Mio + Extension Buildings (construction and Infrastructure) 49 Mio Funding for Phase 2 is announced but not legally secured 2011 Leibniz Supercomputing Centre 10

10 Procurement for the New Petascale System at LRZ (SuperMUC) Boundary Conditions broad mostly academic user base rapidly changing users and projects (< 5 years) many home grown applications scalability now: ~ 1000 cores (a few ~ 4000 cores and more) parameter studies, inverse modelling, optimization ->Island concept prefered development environment by users: Linux, Intel/AMD x86 GPUs/accelerators: not yet, perhaps later Energy efficiency, TCO (Phase 2: P1+ 1.4*P2) Gauss Centre: Diversification JSC: highly scalable, prop. programming environement IBM/BG HLRS: fast interconnect, prop. programming environment: Cray LRZ: general purpose, off the shelf-like, general avail. prog. env., energy eff. Procurement Benchmarks (not peak, not Linpack), TCO, qualitative criteria To establish an integrated system and a programming environment which interact to enable the solution of the most challenging scientific problems from widely varying scientific areas in the least amount of time Leibniz Supercomputing Centre 11

11 SuperMUC Beschaffungsvorgang Vorbereitung Vorgang Datum/Vom Bis Markterkundung Feb 09 Dez 09 Informationspapier für Hersteller Mrz 09 Mrz 09 Herstellerbesuche des Direktoriums Mrz 09 Kolloqium für Herstellerfirmen Ideen, Erwartungen,. Mai 09 Zeitplan!!! Technische Einzelbesprechungen mit Firmen Jun 09 Dez 09 Sitzung der Kommission für Informatik wg. Auswahlgremium Jul 09 Hersteller-Konzept für Petascale-Rechner am LRZ Dez 09 Benchmarks (Vorbereitung) Mai 09 Mai 10 Auswahl Benchmarkprogramme Mai 09 Erstellung herstellerfähiger Versionen Mai 09 Dez 09 Eignung auf verschiedenen Architekturen testen Mai 09 Dez 09 Auslieferung der Benchmarksuite an Hersteller Jan 10 Durchführung von Tests durch Hersteller, Feedback, Korrekturen etc. Jan 10 Mai Leibniz Supercomputing Centre 12

12 Monitoring: Tomographic Analysis of all applications (Altix 3700) 2011 Leibniz Supercomputing Centre 13

13 2011 Leibniz Supercomputing Centre 14

14 MAY 2010: Considerations, Rationales and Conclusions for the Petascale System at LRZ Introduction Politics Infrastructure: Building, Energy, Cooling Funding & Money Procurement Hardware Applications Software LRZ S Concept Benchmarks Next Steps Official Concept and response by vendors LRZ, May 11 16

15 SuperMUC Beschaffungsvorgang Wettbewerblichen Dialog Der Hauptgrund für die Wahl eines Wettbewerblichen Dialogs ist die Tatsache, dass es bei der sehr unterschiedlichen Angebotslage der einzelnen Bieter unmöglich ist, in einer Description of Goods and Services erschöpfend und zweifelsfrei darzustellen, wie die Balance des zu beschaffenden Höchstleistungsrechners zwischen höchstmöglicher realer Rechenleistung und einer hinsichtlich aller anderen für die Nutzung mitentscheidenden Eigenschaften technisch auszusehen hat. Ein Höchstleistungsrechner der geforderten Größenordnung ist ein individuell zu konfigurierendes System, bei dem je nach Bieter unterschiedliche Varianten der Auslegung von Knoten und Prozessoren, Hauptspeicher, internem Kommunikationsnetz (insbesondere dessen Kopplung zwischen den beiden Installationsphasen), Plattenkonfiguration und externer Netzanbindung der Idealvorstellung eines ausgewogenen, gut nutzbaren Systems ohne Engpässe möglichst nahe kommen Leibniz Supercomputing Centre 18

16 SuperMUC Beschaffungsvorgang eigentlicher Beschaffungsprozess (2) Vorgang Datum/Vom Bis Beschaffungsprozess Dez 09 Dez 10 Verdingungsunterlagen (erste Iteration) erstellen Good+Services (Leistungsbeschreibung) 60 Seiten, Decision Criteria (Benchmarks): 48 Seiten Dez 09 Jan 09 Bestätigung der Verdingungsunterlagen durch Auswahlgremium Jan 09 Wettbewerblicher Dialog Feb 10 Nov 10 Ankündigung Feb 10 Versendung der Vergabeunterlagen (incl. Goods+Services und Decision Criteria als Diskussionsgrundlage Feb 10 Teilnahmeanträge mit Nachweis der finanziellen, wirtschaftl., fachl., techn. Leistungsfähigkeit, sowie umweltbezogene und innovative Konzepte. 8 Anträge: Bechtle/SUN, Dell, Megware Feb 10 Prüfung der Teilnahmeanträge Feb 10 Auswahl der Dialogteilnehmer (Bull, CRAY, HP, IBM, SGI) Leibniz Supercomputing Centre 19

17 Erste Verhandlungsrunde Zahlungsplan Ermittlung der Energiekosten Liefertermine Generelles Systemkonzept Konfiguration der Rechen-, Service- und Login-Knoten Kühlungskonzept Verwendung von Acceleratoren Auslegung des Interconnects Topologie Storage Jobmanagement Phase 2 Support und Maintenance Benchmarks Verfahren zur Verifikation der Leistungszusagen Protokollierung der Ergebnisse der Verhandlungsrunden 2011 Leibniz Supercomputing Centre 21

18 Zweite Verhandlungsrunde technische Sachverhalte Unklarheiten bei den Benchmarks Konkretisierung von Kooperationsvorhaben spätester Installationstermin der Ausbaustufe 1 Zahlungsplan Ausbaustufe 2 Migrationssystem Vertragsgestaltung 2011 Leibniz Supercomputing Centre 22

19 endgültige Ausschreibung Nachdem nur für die Ausbaustufe 1 eine belastbare Finanzierungszusage vorlag, konnte nur die Ausbaustufe 1 rechtsverbindlich ausgeschrieben werden. Angebote mussten daher nur wirtschaftliche und technische Annahmen zu einer Ausbaustufe 2 der 1,4-fachen Leistung aufzeigen, auf deren Grundlage später eine einvernehmliche Lösung über die Ausbaustufe 2 mit dem Lieferanten der Ausbaustufe 1 gesucht werden soll. Unwägbarkeiten dafür sind derzeit die technologische Entwicklung bis 2013 Wechselkurse, Umsatzsteuer Finanzierung der Ausbaustufe 2 Rückfallmöglichkeit, wenn kein Einvernehmen erzielt werden kann, ist eine eigenständige Ausschreibung der Ausbaustufe 2. 23

20 SuperMUC Beschaffungsvorgang eigentlicher Beschaffungsprozess (1) Vorgang Datum/ Von 1. Dialogphase (3 Verhandlungsrunden mit 5 Teilnehmern) Mar 10 Jul 10 Schärfung der Leistungsbeschreibung durch LRZ Jun 10 Erstellung der Angebote durch Firmen Jun 10 Jul 10 Auswertung der Angebote (4 Angebote) Jul 10 Auswahl der Shortlist (2 Bieter): Dialogphase (3 Verhandlungsrunden mit 2 Teilnehmern) Aug 10 Nov 10 Finale Leistungsbeschreibung vom LRZ erstellt Sep 10 endgültige Angebotserstellung durch Firmen Sep 10 Okt 10 Rechnerauswahl, sehr enge Entscheidung!!! Nov 10 Sitzung der Auswahlkommission (Entscheidung für IBM) Vertrag Frist GWB 101a Vertragsgestaltung Vertragsunterschrift erste Anzahlung Bis 2011 Leibniz Supercomputing Centre 24

21 Installation Installationsschritte Datum/von Bis Installation des Migrationssystems Mai 11 Jul 11 Betrieb als Migrationssystem Jul 11 Mai 12 Abschaltung HLRB II Ende Okt 11 Installation des Hauptsystems (thin nodes) Jan 12 Mai 12 Benutzerbetrieb Hauptsystem Jun 12 Intregrations des Migrationssystem als fette Insel in das Hauptsystem ab Jul Leibniz Supercomputing Centre 26

22 Beschaffungmethologie Ranking(0.. 1) = Benchmarkleistung (1 ± qualitative Bewertung) TCO Benchmarkleistung = BMgewicht i i,alle Benchmarks (Gesamt)Leistung des Herstellersi Leistung des besten Herstellersi TCO = Fixes Geld = 1 = Investitionskosten + Wartung (5 Jahre) + Elektrizität + Cooling Hersteller muss hier optimieren! prescribed Costs for vendor s TCO calculations: 2012: 0.16 /kwh + 5% increase/year Cold cooling water < 30 C: 1.46 kwh/m 3 Warm cooling water >30 C: 0.36 kwh/m 3 Air cooling: 1 kw electrical input + 30% for cooling 2011 Leibniz Supercomputing Centre 29

23 Description of Goods and Services The requirements of this procurement are categorized into three classes which are marked by coloured boxes: M Requirements within red boxes and marked by "M" are considered mandatory. It will constitute an exclusion criterion if they cannot be satisfied by the offered system. 1 Typically these requirements include the phrase MUST or MUST NOT. ~60 I Requirements within yellow boxes and marked by "I" are considered important for the operation and usability of the system. In case that such a requirement cannot be fulfilled, alternative offers and proposals are explicitly allowed as long as they provide appropriate replacements. The proposed alternatives and their implications must be explained in detail. Typically these requests include the phrase SHOULD or SHOULD NOT. ~100 T Requirements within green boxes and marked by "T" are considered targets for optimal usage of the system. If a vendor can fulfil these requirements this will lead to a qualitatively better ranking through the evaluation procedure. Typically these requests include the word MAY or OPTIONAL or PREFERRED. Many requirements contain checkboxes. ~ Leibniz Supercomputing Centre 30

24 Benchmarks and Weights i Benchmark Weight, g i (%) Interconnect related benchmarks 1 Link bandwidth of a node, intra island 2 2 Saturated node bandwidth, intra island 2 3 Bisection bandwidth, intra island 4 4 Bisection bandwidth, inter island 3 4 Latency, intra island 4 5 Latency, inter island 2 6 Collective communication, Barrier 3 7 Collective communication, Allreduce 5 SUM 25 Kernel Benchmarks 8 APEX 2 9 DENSE_EIG, inter island 3 10a LINPACK, intra island 2 10b LINPACK, whole system 5 12 TRIADS 7 13 SIPBENCH 3 14 SPARSE_EIG, inter island 3 SUM 25 Applications 15 BQCD 6 16 CP2K 6 17 GADGET 6 18 GENE 5 19 LB-DC 5 20 NAMD 6 21 SEISSOL 6 22 WALBERLA 5 SUM Energy efficiency TFlop/s / MW 5 SUM 5 IO (fix Requirements) IOBench 1: multi-stream read/write for parallel file system 0 IOBench 2: multi-stream read/write for home file system 0 Metadata Benchmark 0 SUM Leibniz Supercomputing Centre 31

25 Benchmark Results Ranking Number 2011 Leibniz Supercomputing Centre 32

26 Qualitative Bewertung Feature group Range for Additional Characteristics of benchmarks, scaling etc (not already included in the benchmark performance) Characteristics of the hardware Reliability (e.g. IO), resiliency, redundancy, flexibility and scalability of the system Quality and features of operating system, programming environment, batch system, software Support, cooperation and petascale references Promising technologies; energy efficiency; infrastructure requirements; sustainably low operation costs. Final Range: Erste Dialogphase: -5% bis + 8% Zweite Dialogphase: nicht öffentlich (sehr eng, möglicher Range wurde bei weitem nicht ausgeschöpft) 2011 Leibniz Supercomputing Centre 33

27 SuperMUC System Overview IB-Cluster of Thin and Fat X86 Nodes based on IBM System x idataplex NAS 80 Gbit/s Peak: 3 PF expected: <3 MW Snapshots/Replika 2 PB (separate fire section) HOME 2 PB / 10 GB/s pruned tree (4:1) non blocking SB-EP 16 cores/node 2 GB/c non blocking WM-EX 40cores/node 4 GB/core GPFS for WORK SCRATCH 10 PB 200 GB/s 18 Thin node islands (each >8000 cores) 1 Fat node island (>8000 cores) 2011 Leibniz Supercomputing Centre I/O nodes 34

28 New Cooling Concept: Direct Warm Water Free Cooling Loop 2011 Leibniz Supercomputing Centre 38

29 The LRZ-buildings before and after extension 2011 Leibniz Supercomputing Centre 39

30 From Computer Cube to Computer Cuboid Nearly double floor space 5 dedicated Floor Levels: Supercomputer (pilarfree!) Linux-Cluster, Networking Hosting/Housing, Servers (Tape) Archive/Backup, Disks Cooling, Water, Air Processing Power, Transformers, UPS, Batteries 2011 Leibniz Supercomputing Centre 40

31 LRZ Building Extension Facts Ground-breaking Ceremony: October 2009 Completion of building extension: Q Dedicated (maximum): 13 MW 20 kv power line Extension of current (3 MW) power and cooling capacities to 10 MW (2011) Computer room floor space extension: Compute cube: 1764 m 2 -> Compute cuboid: 3160 m MW diesel generator and 300 kw static USV for highly critical LRZ services, not for HPC 9 x 1.2 MW fly wheel UPS (20 secs autonomy, short interruptions and spikes) 2011 Leibniz Supercomputing Centre 41

32 LRZ Cave/Powerwall Concept RFP pending, artistic examples Separate power wall and 5-side cave 2011 Leibniz Supercomputing Centre 43

33 The Future Challenges Scalability Efficiency Infrastructure Energy / Power Future Programming Models Staff/Personnel UserTraining and Education Gauss HLRS JSC KONWIHR RRZE 2011 Leibniz Supercomputing Centre 44

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