Multicore Innovation Center. Seismic Imaging. visualisierung grosser datenmengen. Performance Optimierung

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1 competece ceter high performace computig Multicore Iovatio Ceter HPC Tools Seismic Imagig visualisierug grosser datemege Performace Optimierug E-Eergie, SMart Grids Bereichsleiter Dr. Fraz-Josef Pfreudt T. 0631/

2 Die Etwicklug ud der Eisatz vo umerische Simulatiosverfahre ist der Ker der Forschug am Frauhofer ITWM ud die Basis für alle techisch komplexe Etwickluge i der Idustrie. I viele Bereiche ist zudem auch eie hohe Recheleistug der Verfahre gefordert, um etweder besoders große Probleme zu löse (Seismische Exploratio, Molekulardyamik) oder um iteraktiv ud damit effizieter zu etwickel. Das Competece Ceter High Performace Computig befasst sich mit de Probleme, die mit der Etwicklug ud Ausführug hochperformater Software verbude sid ud sitzt damit a der Schittstelle zwische kokreter Recherhardware, der Softwaretechologie ud de umerische Algorithme. Grafikkarte ware scho immer Multicore-Prozessore, we auch mit stark vereifachte Prozessore. Eie Leistugssteigerug ist ur och durch Parallelisierug zu erziele. Parallelisierug bedeutet gerade heute immer auch die zugrude liegede Algorithme eu zu aalysiere ud gegebeefalls zu verbesser oder eu zu gestalte. Der Trasport vo Date ierhalb vo Chips ud Recher spielt heute die domiate Rolle. Das Competece Ceter für High Performace Computig hat sich frühzeitig auf diese Paradigmewechsel eigestellt ud iovative eue Softwarewerkzeuge für die Etwicklug paralleler Software auf de Markt gebracht. Der Ker dieser Werkzeuge ist eie effiziete Bibliothek zur Etwicklug komplexer multithreaded Programme (Multicore Thread Package MCTP) sowie das Global Address Space Programmig Iterface GPI, welche das bisherige MPI Programmiermodell ablöst. Darauf aufbaued werde aktuell eue parallele Programmierplattforme für große parallele Rechersysteme etwickelt. Die Seismic Developmet ad Processig Architecture SDPA implemetiert ei fehlertolerates System, bei dem die Awedugsetwicklug vor allem graphisch erfolgt ud eie semiautomatische Parallelisierug stattfidet. Das System ist für große parallele Systeme gedacht ud wird zuächst i der Ölidustrie eigesetzt ud da auch i adere idustrielle Bereiche. Im BMBF-Projekt IMEMO wird das patetierte Parallelisierugsframework GraPA a die Aforderuge zuküftiger Hardwaresysteme iklusive GPUs agepasst. GraPA automatisiert die Parallelisierug weitestgehed ud baut auf eiem Graphe basierte Asatz auf. Diese Etwicklug vo iovative Werkzeuge für die Etwicklug paralleler Aweduge wird auch i de ächste Jahre Schwerpukt der Abteilug bleibe. Seit 2005 wird am ITWM das Frauhofer Parallel Filesystem FhGFS etwickelt; 2008 war das erste offizielle Release auf der Webseite verfügbar. Eie Reihe kleierer Istallatioe im Öl - ud Gas-Sektor habe im letzte Jahr die Zuverlässigkeit des Systems bestätigt ud erste große Istallatioe a verschiedee Uiversitäte sid dazugekomme. Die im Rahme vo Kooperatiosprojekte etwickelte Softwarepakete für die Wikel-Migratio (GRT) ud die Visualisierug ud Aalyse vo Prestack Date (Pre-StackPro) habe die qualitativ hochgesteckte Aforderuge erfüllt ud sid jetzt im produktive Eisatz. Im Rahme der ITWM Future-Theme wurde Aktivitäte verschiedeer Abteiluge, die sich mit ereuerbare Eergie befasse uter dem ITWM Future»Ereuerbare Eergie«gebüdelt. Der Schwerpukt der Arbeite im CC HPC sid hier IKT-Systeme zum Maagemet verteilter Systeme i Strometze. Siehe auch Dr. Carste Lojewski, Alexader Neudorf, Rui Màrio da Silva Machado, Sve Breuer, Christia Mohrbacher, Kai Krüger, Frauke Satacruz, Alexader Petry, Dr. Fraz-Josef Pfreudt, Beedikt Lehertz, Pavel Frolov, Tobias Götz, Dr. Daiel Grüewald, Nikolai Ivlev, Berd Schubert Jes Krüger, Dr. Marti Küh, Matthias Klei, Dr. Mirko Rah, Dr. Abel Amirbekya, Lea Ode, Ely Wager Aguiar de Oliveira, Berd Lörwald, Dr. Dimitar Stoyaov, Egor Dereveetc, Dr. Tiberiu Rotaru, Berd Klimm, Dr. Norma Ettrich, Dr. Domiik Michel 78

3 Parallel Programmiere i der Zukuft: GPI ud MCTP Die Etwicklug der Hardware hi zu massiv parallele heterogee Maschie erzwigt eie Paradigmewechsel bei der Programmierug, isbesodere bei der Programmierug vo Hochleistugssysteme der (Post-)Petaflops-Ära. Etsprechede Programmiermodelle sid mit eue Aforderuge kofrotiert: Beötigt wird ei eifaches ud flexibles Modell, das voll asychroe ud effiziete Kommuikatio zwische verschiedee Speichersubsysteme mit uterschiedlicher Badbreite ud Latez erlaubt. Nur so köe Kommuikatio ud Berechug gleichzeitig erfolge, eie etscheidede Voraussetzug für skalierbare Software. Der i de 1990er Jahre etablierte MPI-Stadard ist dazu icht mehr geeiget. Das CC-HPC hat sich diese Herausforderuge gestellt ud zwei eifache, robuste ud skalierbare Programmierschittstelle etwickelt: GPI ud MCTP. Auf der Ebee veretzter Rechekote erlaubt user Global Address Programmig Iterface (GPI) hocheffiziete Kommuikatio mit gerigster Latez. Aufbaued auf de Fähigkeite moderer Verbidugsetzwerke wie IfiiBad oder RoCE stellt GPI eie partitioierte globale Adressraum (PGAS) zur Verfügug. Rechekote köe uabhägig voeiader (oe-sided), voll asychro (ohe Belastug der Rechekere), ohe temporäre Kopie (zero-copy) ud mit maximaler Badbreite auf de Speicher aderer Rechekote sowohl lesed als auch schreibed zugreife. Diese Basisfuktioalität wird i GPI um eie Reihe weiterer Fuktioe erweitert: Extrem schelle kollektive Operatioe (wie Barriere), atomare Zähler (atomar über Rechekote hiweg) oder umfassede Umgebugstests sid ur eiige Beispiele. Das i MPI vorherrschede Thema des Sedes ud Empfages vo Nachrichte wird ebefalls uterstützt ud um eie völlig eue Art der passive Kommuikatio erweitert, die weit jeseits desse liegt, was mit MPI möglich ist. Abgerudet wird GPI durch eie fehlertolerate Ausführugsumgebug. Ierhalb eies Rechekotes wird GPI durch user Multicore Threadig Package (MCTP) zu eier komplette Umgebug ergäzt, die die Etwicklug skalierbarer Software auf Basis eies eizige (Thread-)Modells erlaubt. Die MCTP stellt Fuktioe zum Umgag mit parallele Threads ud Threadpools zur Verfügug. Sie bewegt sich dabei stets auf der Höhe der Zeit ud ist derzeit die eizige Bibliothek, die die kokrete Hardwaregegebeheite (NUMA-Layout) kosequet berücksichtigt. Ergebis sid zum Beispiel Sychroisatiosprimitive, dere Latez um Größeorduge geriger ist als die aderer Threadpakete. Sowohl GPI als auch MCTP beweise ihre überragede Qualität ud Robustheit seit Jahre beim Eisatz i de Softwareprodukte des CC HPC, die sich auch bei usere Kude aus der Idustrie im Dauereisatz befide war die Markteiführug vo GPI ud MCTP; mittlerweile gibt es Evaluierugsistallatioe i mehrere große atioale Rechezetre. 79

4 1 Iteraktive Migratio 1 Gleichzeitige Visualisierug der Objekte Salzstock (orage), Salzstockoberfläche (grautrasparet), Geschwidigkeitsmodell (bläulich-farbcodiert) ud Migratiosergebis ierhalb eies zuvor selektierte, quaderförmige Ausschitts i der GUI zur iteraktive Migratio. Seismische Migratiosverfahre liefer Abbilduge des Utergrudes, die es u. a. erlaube, Erdölvorkomme zu etdecke. Die Geauigkeit dieser Utergrudabbilduge hägt i starkem Maße vo der Geauigkeit der für die Migratio verwedete Geschwidigkeitsmodelle ab. Letztere sid apriori ubekat ud müsse durch Iversiosprozesse gewoe werde. Herkömmliche Iversiosverfahre leite aus Differeze zwische Teilmigratiosergebisse Kriterie für die Modellverbesserug ab, versage aber i besoders komplizierte Situatioe, häufig i Bereiche des Erdutergrudes, die Salzkörper aufweise. Die Komplexität, die Salzkörper der Ausbreitug der seismische Welle aufpräge, führt dazu, dass ur uzureiched auf die Form der Salzstöcke geschlosse werde ka. I solche Fälle bleibt dem geowisseschaftliche Aweder ur die Möglichkeit, per Trial-ad-Error Verfahre die Form der Salzstöcke im Modell zu veräder ud die Auswirkug dieser Äderug auf das Migratiosresultat zu sichte, um aufgrud geologisch relevater Kriterie zu urteile, ob das Ergebis verbessert wurde ud damit die Geschwidigkeitsäderug akzeptiert werde ka oder icht. Beauftragt durch die Firma Statoil etwickelt das ITWM für diese Awedug eie kompakte Softwarelösug, die aus de Kompoete ultra-scheller Migratio, effizieter ud flexibler Visualisierug ud Editierug vo geologisch komplexe geschlossee Körper besteht. Die hohe Geschwidigkeit der Migratio wird durch sogeate Beamtechike erreicht, bei dee icht eizele seismische Spure ahad vo Eizelstrahle i die Tiefe migriert, soder Gruppe vo Spure durch Büdel vo Strahle bearbeitet werde. Hochgradige Parallelisierug mit der hauseigee GPI-Techologie, Dateselektio ud -komprimierug sorge für Beschleuigug um Größeorduge gegeüber Stadardverfahre. Die Migratio wird vo eier graphische Bedieeroberfläche gesteuert, die ferer die Visualisierug der Migratiosergebisse zusamme mit Geschwidigkeitsmodelle ud Salzkörperdarstelluge erlaubt. Mit Volumeredertechike werde Voxel-basierte Datesätze visualisiert; Fläche, wie etwa Salzstockoberfläche, werde als triagulierte Objekte dargestellt. Tools zur Kovertierug zwische Oberfläche- ud Volumedarstelluge der Salzkörper ud verschiedee Editiermode für die Salzstockoberfläche erlaube zusamme mit hochetwickelte Navigatios- ud Selektiosmechaisme das Arbeite im Awedugsmaßstab, bei dee seismische Date vo mehrere 100 km² große Gebiete zu Utergrudbereiche der Größeorduge vo mehrere 100 km³ mit eier Auflösug vo ca. 10 m migriert werde müsse. Die etspreched hohe Aforderuge sowohl a die seismisch algorithmische Seite als auch a die Visualisierug sid ur durch eie äußerst effiziet gestaltete Parallelisierug ud die Optimierug aller beteiligte Uterprozesse zu bewältige. 80

5 1 Skalierbarer Storage mit dem Frauhofer Parallel File System Mit der stetig zuehmede Leistugsfähigkeit moderer Prozessore ud Netzwerktechologie, die de Zusammeschluss zu immer größere Computer-Cluster ermögliche, wächst auch der Bedarf a immer realistischere ud detailgetreuere Simulatiosergebisse. Derartige Simulatioe erforder allerdigs auch die Arbeit mit große Datesätze, die heute icht selte im Bereich mehrerer 100 Gigabytes oder sogar im Terabyte-Bereich liege köe. Problematisch dabei ist jedoch, dass die Leistugsfähigkeit vo Festplatte im Verhältis deutlich uter dem Niveau der übrige Systemkompoete liegt, so dass die Laufzeit vo Berechuge häufig vorragig durch die Geschwidigkeit des Festplattezugriffs bestimmt wird. 1 Admiistratio ud Moitorig des FhGFS sid durch grafische Werkzeuge sehr eifach ud ituitiv. Das CC HPC arbeitet seit eiige Jahre am parallele Dateisystem FhGFS. Hierbei werde die eizele Dateie scheibcheweise auf mehrere Server verteilt ud köe dadurch parallel eigelese bzw. geschriebe werde. Dieses Verfahre ermöglicht es, Datesätze mit eiem Vielfache der herkömmliche Geschwidigkeit zu verarbeite ud wirkt sich so umittelbar positiv auf die Dauer bis zum Berechugsergebis aus. Nebe eier sehr gute Skalierbarkeit des Systems legt das Etwicklerteam außerdem große Wert auf eie ukomplizierte Hadhabug durch die Bereitstellug grafischer Maagemet-Tools ud ei hohes Maß a Flexibilität bei der Istallatio. So ist es beispielsweise beim FhGFS möglich, icht ur separate Server als gemeisame parallele Speicher i eiem Cluster zu utze, soder auch die Festplatte der Clusterkote utereiader auf diese Art zu verbide. Daebe lasse sich die Verteilugsmuster der Date flexibel a die Bedürfisse der Nutzer, etwa geographisch getrete Serverräume, apasse, um die Zugriffszeit auf die Date weiter zu reduziere. Bereits i de Vorjahre kote i Kooperatio mit Parter ud Kude aus Idustrie ud Forschug gezeigt werde, dass das FhGFS bei typische Workloads eie deutlich bessere Durchsatz liefer ka als vergleichbare kommerzielle Lösuge. So wird das FhGFS u.a. zur Abidug des Speichers eies der schellste Cluster weltweit, dem LOEWE-CSC i Frakfurt / Mai, geutzt. Das System besteht dabei aus über 800 Clusterkote ud erreicht eie Durchsatz beim Schrei be ud Lese vo über 10GB/s. Derzeit wird das Dateisystem auf diverse Cluster i der Größeordug mehrerer hudert Rechekote eigesetzt. Im kommede Jahr solle da die Arbeite am Hochverfügbarkeits-Modus fertiggestellt werde ud später die Uterstützug für Microsoft Widows hizu komme. Dadurch wird das Dateisystem auch außerhalb des HPC-Bereichs, beispielsweise als ausfallsicherer Projekt-Speicher oder für Home-Verzeichisse iteressat. Das FhGFS ka kostelos uter herutergelade werde. Optioaler Support ist ebefalls erhältlich. 81

6 1 2 Deutsche Börse Parallelisierug, Performace ud Gree IT 1 Fiacial Market, Derivatives Acceleratio Faktor: 20 2 Sequece Correlatio Bechmark, Acceleratio Faktor: 130 Ob im Fiazmarkt oder i de Life Scieces, die absolute Performace beziehugsweise der Durchsatz der Aweduge spielt für Uterehme eie immer größere Rolle. Das Competece Ceter für High Performace Computig hat sich darauf spezialisiert, Aweduge aus de Bereiche Fiazmarkt, Seismic, Life Scieces ud physikalische Simulatio für Multicore- Prozessore ud Acceleratore zu optimiere. Bedigt durch de Übergag zu Multicore-Architekture ist es für de Etwickler im Uterehme immer schwieriger geworde, effiziete Software zu etwickel; das bezieht sich sowohl auf die Siglecore-Performace als auch auf die Multicore-Performace. I beide Fälle ist heute ei grudlegedes Verstädis des Hardwareaufbaues ud der Parallelisierugsoptioe otwedig. Die beide i de Bilder visualisierte Aweduge sid dabei typische Vertreter i Bezug auf das Potezial, das i der Optimierug steckt. Wir kote i eier Reihe vo Aweduge ohe Modifikatio der Numerik pro Core eie Beschleuigug um de Faktor drei bis zeh erreiche. Modifikatioe i der Mathematik ud Numerik sid da für de Faktor 130 im Sequece Correlatio Bechmark veratwortlich. Was bedeutet es, dass eie Awedug hudertmal so effiziet läuft: Das Life Sciece-Beispiel braucht da ohe die Optimierug statt zeh Tage auf userem 1000-Core-Recher taused Tage. I dem Fall sid allei die Stromkoste zum Betrieb der Hardware im sechsstellige Euro-Bereich. Ählich sieht es bei der Awedug i der Fiazmathematik aus. Allei die Eisparuge bei de Eergiekoste reiche bequem aus um eie eue effizietere Recher zu kaufe. Der Aufwad für die Optimierug ist dabei eher verachlässigbar. I diesem Kotext erhält das Stichwort Gree IT, das heute gere vo Hardwareverkäufer beutzt wird, erst richtig Si. Ei optimales Rechezetrum ka 50 Prozet Eergie spare, eie eues Hardwaresystem spart aber ur da, we die Awedug agepasst, d. h. parallelisiert wurde. Effiziete Parallelisierug ud Code Optimierug liefert schließlich mehr als eie Größeordug. Im Competece Ceter HPC arbeite wir direkt mit de Prozessorhersteller (IBM INTEL, NVIDIA) zusamme, um usere Kudeaweduge optimal azupasse. Wir setze dabei auch auf eigee Werkzeuge zur Parallelisierug, um usere Iovatioe aus der Forschug i die Idustriepraxis zu brige. 82

7 1 2 CC-bY-SA-NC, Mathias Dalheimer CC-bY-SA-NC, Mathias Dalheimer Smart Grids das itelligete Eergieetz Die Itegratio vo ereuerbare Eergie (EE) aus Widkraftalage oder Photovoltaikalage stellt user Strometz vor große Herausforderuge. Da Strom ur sehr begrezt gespeichert werde ka, müsse Wege gefude werde, wie die schwakede Produktio aus EE- Alage itegriert werde ka. Grudsätzlich gibt es zwei Möglichkeite: Stromspeicher wie Lithium-Ioe-Batterie köe dezetral istalliert werde, um die zusätzliche Eergie aufzuehme. Alterativ köe Geräte da betriebe werde, we sowieso viel ereuerbare Eergie produziert wird. Beide Verfahre führe zu eier verbesserte Itegratio des EE- Stroms i user bestehedes Strometz. 1 Strom aus Widkraftalage ka lagfristig icht eigeplat werde. Daher muss user Strometz flexibler werde, um mehr Strom aus ereuerbarer Eergiequelle aufehme zu köe. Im Projekt»mySmartGrid«verfolge wir de zweite Asatz: Durch Regelugstechik solle Stromverbraucher wie Tiefkühltruhe ud Wärmepumpe da Strom verbrauche, we sowieso viel Strom im Netz zur Verfügug steht. I Kaiserslauter ud Umgebug werde bis zu 1000 Haushalte ud KMU mit etsprecheder Techik ausgestattet. Es wird der Stromverbrauch gemesse ud aspreched dargestellt, um de Projektteilehmer ei besseres Verstädis für ihre eigee Stromverbrauch zu vermittel. Das Ziel des Projektes ist die Schaffug eies virtuelle Verbrauchers, der zur Stabilisierug des Strometzes verwedet werde ka. Alle Ergebisse des Projektes sid frei zugäglich ud basiere auf Ope-Source Etwickluge. Wir kooperiere dabei icht ur mit lokale Eergieversorger wie de Techische Werke Kaiserslauter, soder auch mit Gerätehersteller. I eiem zweite, ergäzede Projekt»myPowerGrid«erforsche wir die Möglichkeite, i Lithium-Ioe-Batterie Strom zu puffer. So ka z. B. überschüssiger Strom aus Widkraftalage später i widstille Zeite wieder i das Netz eigespeist werde. Die dazu otwedige Techik wird gemeisam mit Eergieversorger ud Gerätehersteller etwickelt. User Schwerpukt liegt hier i der Koordiatio der im Strometz verteilte Eergiespeicher, die etspreched geregelt werde müsse. Dabei sid icht ur schwakede Produktiosleistuge zu berücksichtige, soder auch die Eischräkuge hisichtlich des Lade- ud Etladeverhaltes der eigesetzte Batterie. 2 Um Haushaltsgeräte regel zu köe, müsse diese über ei Bussystem gesteuert werde köe. Das ITWM etwickelt mit dem OktoBus ei Ope- Source Bussystem, welches direkt i bestehede Heimetzwerke itegriert werde ka ud güstig achrüstbar ist. 83

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