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1 University of Applied Sciences 1 zur Optimierung der Wertschöpfungsketten Hochleistungsrechnen für Wissenschaft und Wirtschaft im internationalen Verbund Prof. Dr. rer. nat. Christian Schröder stellv. Sprecher der FH Bielefeld University of Applied Sciences 2 1

2 Struktur AG Schröder Computational Materials Science and Engineering Prof. Dr. rer. nat. Christian Schröder Dipl.-Phys. Thomas Englisch Dipl.-Ing. Thomas Hilbig Dipl.-Ing. Christian B. Ries Dipl.-Ing. Lisa Teich Dipl.-Ing. Mikhail Tolstykh studentische und wissenschaftliche Hilfskräfte University of Applied Sciences 3 Was ist Hochleistungsrechnen bzw. High Performance Computing (HPC)? Motivation Rechenarbeiten, deren Bearbeitung eine hohe Rechenleistung und/oder eine hohe Speicherkapazität erfordern University of Applied Sciences 4 2

3 Motivation University of Applied Sciences 5 HPC Anwendungen University of Applied Sciences 6 3

4 Ein Beispiel: Proteinfaltung 3D-Struktur von Proteinen definiert ihre Funktion (Alzheimer, BSE,...) 1, Gleitkomma-Operationen (FLOP) / Zeitschritt Zeitschritt: s zu simulieren: 10 3 s (1ms!) FLOP / Simulation ca. 1 Jahr Rechenzeit auf dem größten Supercomputer* der Welt! HPC Anwendungen *Jaguar (ORNL) Cray XT5-HE ( Prozessorkerne) University of Applied Sciences 7 Wie realisiert man HPC? 1. Versuch: Man nehme HPC Rechner möglichst viele einzelne Computer Und vernetzte diese so, dass jeder Computer mit jedem anderen kommunizieren kann! University of Applied Sciences 8 4

5 Motivation Warum macht man sowas? Der gute alte 3-Satz: Wenn ein Computer 10 Tage für eine Rechnung benötigt, wieviel Zeit benötigen dann 10 Computer? University of Applied Sciences 9 HPC Rechner Beispiel: Berechnung einer 3D Computergrafik HPC Rechner Einzelrechner University of Applied Sciences 10 5

6 Wie realisiert man HPC? HPC Rechner Hm noch nicht ganz University of Applied Sciences 11 HPC Rechner Wie realisiert man HPC? HPC Cluster Hochleisungs- Recheneinheiten (Knoten) + Hochleistungs- Vernetzung $$$!!! University of Applied Sciences 12 6

7 Wie realisiert man HPC? Der letzte Schrei HPC Rechner bis zu 1540 Knoten bis zu Prozessorkerne bis zu 700 kw Leistung Preis???? University of Applied Sciences 13 HPC FH Bielefeld Bielefeld Preis? Ein Einfamilienhaus still growing. University of Applied Sciences 14 7

8 Hochleistungsrechnen Hochleistungsrechnen für die Wissenschaft University of Applied Sciences 15 Herausforderung: Magnetspeicher [Quelle: Hitachi Global Storage Technologies ] University of Applied Sciences 16 8

9 Herausforderung: Magnetspeicher [Quelle: VDI] Idee: Vergrößerung der Speicherdichte durch Verwendung magnetischer Nanostrukturen Aktueller Trend: Synthese molekularer Magnete und deren Aufbringung auf Oberflächen oder in Zwischenschichten University of Applied Sciences 17 Herausforderung: Magnetspeicher DFG-Forschergruppe 945 Nanomagnete Unser Beitrag: Theoretische Modellierung nanomagnetischer Strukturen University of Applied Sciences 18 9

10 Herausforderung: Magnetspeicher DFG-Forschergruppe 945 Nanomagnete University of Applied Sciences 19 Herausforderung: Magnetspeicher DFG-Forschergruppe 945 Nanomagnete ein Thema von politischer Brisanz Besuch der ehemaligen Ministerin für Wissenschaft und Forschung des Landes NRW Hannelore Kraft University of Applied Sciences 20 10

11 Hochleistungsrechnen für die Wirtschaft?? University of Applied Sciences 21 Einsatz von Supercomputer (Multimio.-$$$-Geräte) University of Applied Sciences 22 11

12 Traditioneller Produktentwicklungszyklus Prototypen Design Produkt University of Applied Sciences 23 Moderner Produktentwicklungszyklus Computer- Simulationen Design Produkt University of Applied Sciences 24 12

13 Die Basis moderner Produktentwicklung University of Applied Sciences 25 Ständig wachsende Herausforderungen University of Applied Sciences 26 13

14 Bielefeld Rent-a-Cluster Durchführung von FEM-Multiphysik*-Studien gemeinsam mit unseren Partnern aus der Industrie (we have the brains, you have the money ) Lohnt sich die Anschaffung eines eigenen HPC Clusters (Preis, Administration(!), Nutzung)??? Softwareentwicklung (Parallelisierung seriellen Codes mit MPI und OpenMP, Performance Tests usw.) *gekopplete Phänomene, z.b. thermo-elektrisch, thermo-elastisch usw. University of Applied Sciences 27 Motivation Muss HPC immer teuer sein? University of Applied Sciences 28 14

15 Tatsache ist Alternativen zum HPC Cluster Die größte Rechenleistung ist nicht an einem Ort konzentriert, sondern auf Millionen Computer und Spielekonsolen l rund um die Welt verteilt! 2010 werden mit dem Internet verbundene private PC s und Spielekonsolen erwartet. Nur 1% dieser CPU s = 10 Peta FLOPS (Peta = ) Frage: Kann man diese gewaltige öffentliche Rechenleistung nutzbar machen? University of Applied Sciences 29 Public Resource Computing Man kann! Public Resource Computing (auch volunteer computing computing) Das Prinzip i Öffentliche Forschungsprojekte Freiwillige Internet University of Applied Sciences 30 15

16 und warum sich das lohnt! Einer von mehr als einer Milliarde PCs weltweit! Aldi-PC Medion akoya E7330 vierkerniger Intel Core 2 Quad Q8300 (2,5 GHz) 4 GByte Arbeitsspeicher Preis: unter 400 Euro! University of Applied Sciences 31 Es funktioniert tatsächlich! Simulation nanomagnetischer Systeme Platz 6 der weltweit größten Public Resource Computing Projekte (von insgesamt 70) Projektstart: 1. September 2006 Bis heute ca teilnehmende Computer aus 181 Ländern (=324 TeraFLOPS Leistung)!!! University of Applied Sciences 32 16

17 Projektidee Was für öffentliche Forschungsprojekte funktioniert Öffentliche Forschungsprojekte Freiwillige Internet University of Applied Sciences 33 Projektidee sollte auch in Unternehmen funktionieren! Kommerzielle Projekte Intranet Firmen- Computer (vom Entwickler bis zur Sekretärin) University of Applied Sciences 34 17

18 Projektziel Vorhandene Rechner-Ressourcen, speziell in Unternehmen, mit geringem Zeit- und Administrationsaufwand für aufwendige Berechnungen nutzbar machen! Anwendungsbeispiele (für Probleme, die sich mit volunteer-computing gut berechnen lassen!): Analyse großer Datenmengen (Suche nach Bodenschätzen) Bildverarbeitung bzw. Bildanalyse im verarbeitenden Gewerbe oder der Medizintechnik Berechnung von Filmsequenzen im Multimediabereich, Datenkomprimierung im Audiobereich und Datenkonvertierung Verteilte Simulationen mit kommerziellen Werkzeugen (z.b. FEM Parameterstudien) University of Applied Sciences 35 Der Lösungsansatz Ausgangspunkt Leistungsfähige Volunteer Computing Middleware namens Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC) ABER: Es ist nicht-trivial aufzusetzen und zu pflegen (warum gibt es weltweit nur 70???) Umfangreiche Programmierung (client, server, webservices, Verwendung unterschiedlicher Sprachen und APIs) Anpassung einer Vielzahl von Skripten Betriebssystem-/Kommunikations-/Datenbank-Technologien FAZIT: Der Entwicklungs- und Administrationsaufwand ist besonders für Unternehmen wirtschaftlich untragbar 1 MA 1 Rechnercluster) University of Applied Sciences 36 18

19 Die Lösung University of Applied Sciences 37 Projektziel ermöglicht Textuelle und graphische Modellierung des Berechnungsproblems Abstraktion von der zugrundeliegenden Betriebssystem- und Kommunikations-Infrastruktur Generierung des Quell-Codes (Client- und Server-seitig), sowie aller notwendigen Installationsskripte Installation der vollständigen Applikation quasi "per Knopfdruck" University of Applied Sciences 38 19

20 Danke fürs Zuhören! Herzlichen Dank an und meine Mitarbeiter für die Unterstützung! University of Applied Sciences 39 20

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