SuperMUC
Nejrychlejší evropský superpočítač byl zprovozněn v červenci nedaleko německého Mnichova. Má výkon 3 petaflopsy a byl u něho použit unikátní systém chlazení horkou vodou.
MANUEL KÖPPL, PAVEL TROUSIL
Sousední Německo přilákalo mezinárodní pozornost a Mnichov se dostal na první místo v lize mistrů - tedy alespoň v té počítačové (HPC, High Performance Computing). Jen sedm kilometrů od mnichovského fotbalového stadionu Allianz Arena byl totiž 20. července tohoto roku uveden do provozu v současnosti nejrychlejší superpočítač na evropském kontinentu a čtvrtý nejrychlejší na světě -SuperMUC. Letní pohádka pro vědu a výzkum.
„Mnichov ještě může vyhrát,“ povzdechl si Karl-Heinz Hoffmann na slavnostním ceremoniálu při příležitosti uvedení vysokorychlostního počítače v Garchingu do provozu. Předseda Bavorské akademie věd je jakýmsi hostitelem počítače SuperMUC, který je umístěn v horním patře nově rozšířené počítačové budovy v Leibnizově výpočetním centru (viz vpravo nahoře). Zaměstnanci Technické univerzity Mnichov (Technische Universität München) označují toto místo na severním okraji Mnichova jako „Novogarchinsk“. Teď dostalo nový lesk v podobě počítače SuperMUC, který se rozkládá na 500 m2 a má hmotnost 100 tun.
„SuperMUC je majákem pro vědu a výzkum mezinárodního významu.“
ANNETTE SCHAVANOVÁ, spolková ministryně školství (druhá zleva),
na zahájení provozu superpočítače v německém Gachingu.
Tento superpočítač je pro vědce skutečným lákadlem v oblasti vysoce výkonných počítačových systémů - alespoň mimo USA a Japonsko. SuperMUC má totiž výkon tří biliard výpočetních operací za sekundu, tedy tři petaflopsy. Pro srovnání: Takový výpočetní výkon odpovídá situaci, kdy miliarda lidí s kalkulačkou provede milion výpočtů - a to vše za sekundu. Počítačový systém IBM není svým výkonem jen evropským šampionem, ale i celosvětově patří mezi špičku (obsadil páté místo, viz tabulka - str. 116). V systému pracuje celkem 155 000 procesorových jader, umístěných v téměř dva metry vysokých černých skříních, které jsou vzájemně propojeny prostřednictvím kilometry dlouhých kabelů. Operační paměť superpočítače má kapacitu 324 terabajtů a celková disková kapacita je 12 petabajtů. U disků je použit paralelní souborový systém IBM General Parallel File System (GPFS). Archiv počítače SuperMUC má pak dalších 30 petabajtů.
Energetická účinnost
Superpočítač SuperMUC není ale zajímavý jen svým výkonem, nýbrž i svou energetickou efektivitou. Pro chlazení se totiž používá energeticky úsporný inovativní systém chlazení horkou vodou (viz tabulka vpravo). „Spotřeba energie je ve srovnání s podobně výkonnými, vzduchem chlazenými systémy asi o 40 procent nižší,“ vysvětluje šéfka firmy IBM pro Německo Martina Koederitzová. Vzhledem ke své vysoké tepelné kapacitě je horká voda pro chlazení lepší než vzduch. Voda pro chlazení je čerpána pomocí měděných trubek umístěných u procesorů a paměťových bloků a má teplotu 40 až 55 stupňů. Během procesu ochlazování se teplota vody zvýší zhruba na 70 stupňů.
Chladicí systém počítače SuperMUC byl od začátku koncipován jako celek. Měděné „potrubí“ s vodou je vedeno co nejblíže ke kritickým komponentám, je navrženo pro nepřetržitý provoz a zvládne i vysoké teploty kolem 70 stupňů Celsia. Teplota je neustále sledována a s chlazením není problém ani v létě. Navíc SuperMUC dokáže v zimě díky využití odpadního tepla vytápět kanceláře. V konvenčním systému chlazení se používá voda o teplotě okolo 20 stupňů, která má po zahřátí teplotu 30 až 40 stupňů. Pro následné vytápění je to nízká teplota a pro využití takto nízko ohřáté vody by bylo nutné použít tepelná čerpadla a klimakompresory.
„Chlazení horkou vodou je důležitým krokem na cestě k realizaci datových center s nulovými emisemi,“ říká Martina Koederitzová. Použití energeticky méně náročného vodního chlazení (chlazení vzduchem spotřebuje mnohem více elektřiny) a využití horké vody pro vytápění budov ušetří výpočetnímu centru téměř milion eur ročně. Jediným háčkem je to, že vodní chladicí systém je složitý a drahý. Voda se totiž musí nejen odvápnit, ale také deionizovat - jinak by hrozil zkrat. Přitom výpadek chladicího systému by pro SuperMUC znamenal katastrofu. Proto se o tento systém nepřetržitě stará dvacet zaměstnanců.
Do projektu hi-end superpočítačů bude německá vláda a spolková země Bavorsko v příštích pěti až šesti letech investovat asi 83 milionů eur. Elektřina a voda je zahrnuta v ceně. Také se počítá s náklady na rozšíření počítače SuperMUC, což bude představovat dalších 50 milionů eur. Podle spolkové ministryně školství Annette Schavanové se investice do superpočítačů a hi-tech technologií umístěných na území Německa bohatě vyplatí. „SuperMUC je takovým majákem pro vědu a výzkum mezinárodního významu,“ řekla Schavanová při otevření výpočetního centra v Garchingu. Německo by se tak mohlo stát magnetem pro největší vědecké talenty z celého světa. Proto chce spolková vláda, stejně jako Bavorsko, Bádensko-Württembersko a Severní PorýníVestfálsko rozšířit výpočetní centrum Gauss Centre for Supercomputing, které vzniklo v roce 2006. Podpora přijde cca na 400 milionů eur.
Cokoli, jen ne prestižní projekt
SuperMUC však nevyvolává jen nadšení. Bavorská akademie věd, která dohlíží na tento projekt, totiž sklidila i ostrou kritiku. Ekologové z Greenpeace a z dalších organizací totiž kritizovali nejen vysokou spotřebu výpočetního centra, ale zpochybnili také jeho smysl pro vědu a výzkum. Arndt Bode, předseda představenstva a šéf LRZ (Leibniz-Rechenzentrum), však žádnou paušální kritiku v tomto směru neuznává a dodává: „SuperMUC je nejefektivnější superpočítač ve své třídě.“ Poukazuje také na jeho relativně nízkou spotřebu energie, navíc je podle něj veškerá nakoupená elektřina pro provoz superpočítače výhradně „zelená“.
Bode samozřejmě polemizuje i s druhým tvrzením ekologů, tedy s tím, že superpočítače jsou bezvýznamné. Upozorňuje na jejich smysl pro vědu. Jako příklad uvedl, že na superpočítači SuperMUC se simulují a analyzují oceánské proudy a předpovídají se na něm změny klimatu. Počítač bude řešit i úlohy z komerční sféry. Technická univerzita v Berlíně společně s firmou Rolls-Royce, která je výrobcem leteckých motorů, využívají počítač pro vývoj méně hlučných motorů. Velká německá automobilka chce zase SuperMUC použít pro návrh účinnějšího vstřikovače paliva pro spalovací motory.
Tyto náročné výpočty jsou možné jedině díky propracované architektuře superpočítače (viz diagram vlevo). Počítač se totiž skládá z 19 „ostrovů“, z nichž každý je složen z 8 200 výpočetních jader. Jeden z těchto ostrovů, tzv. Fat-Node, je vybaven dodatečnou pamětí. V superpočítači jsou použity procesory Intel Xeon E7 (Westmere). Každý má 10 jader a 30 MB vyrovnávací paměti třetí úrovně pro rychlejší výměnu dat mezi jádry. Procesor je tvořen 2,6 miliardy tranzistorů a patří k tomu nejlepšímu, co Intel pro servery nabízí.
Masivní výkon tohoto superpočítače přitom není, na rozdíl od předchozích počítačů LRZ, k dispozici jen vědcům z Německa. Poprvé k němu mají přístup (byť omezený) i výzkumníci z dalších 23 evropských zemí. Superpočítač už běží na plný výkon a zatím běžící aplikace ho nevyužijí na 100 procent. Šanci tedy mají i další vědci. SupecMUC má ale v Evropě další konkurenty. V polovině srpna totiž byly z deseti nejrychlejších superpočítačů světa čtyři evropské. Na rozvoji vysoce výkonných počítačů v Evropě má zájem i Evropská unie. Evropská komise stojí za iniciativou „Partnerství pro vyspělou výpočetní techniku v Evropě“ (Partnership for Advanced Computing in Europe, zkráceně PRACE). Členské státy vyzvala, aby sdílely investice do vysoce výkonných počítačů v rámci projektu „PRACE“, aby tak posílily postavení evropského průmyslu a akademického prostředí při využívání, vývoji a výrobě moderních výrobků výpočetní techniky, služeb a technologií.
LRZ poskytuje vědcům IT služby už více než 50 let. Už v roce 1956 zde byl postaven sálový počítač PERM (Programmierbare Elektronische Rechenmaschine München), v té době nejrychlejší svého druhu. Šéfka firmy IBM pro Německo Martina Koederitzová vidí další mezník v oblasti vysoce výkonných počítačů ve využití 3D procesorů. Jednoho dne bude podle ní možné splnit si sen a sestrojit superpočítač o velikosti kostky cukru.
Český superpočítač
I Česká republika má svůj superpočítač. Přestože se český paralelní superpočítač Amálka, který je umístěn v Ústavu fyziky atmosféry Akademie věd ČR, s německým strojem SuperMUC výkonnostně nemůže srovnávat, provádí náročné výpočty, numerické experimenty a vizualizace v rámci kosmického výzkumu. Výpočetní výkon Amálky je díky 356 procesorům Intel Xeon 6,38 teraflopsu (zvládne tedy 6,38 bilionu operací za sekundu). Naši vědci mohou díky Amálce pracovat i na kosmických programech celosvětového významu, jako jsou projekty výzkumu Merkuru, Měsíce a nejnověji i Jupiterových měsíců Europa a Ganymed.
DOMOV POČÍTAČE SUPERMUC
7. března 1962 zřídila Bavorská akademie věd „Komisi pro elektronické výpočty“, dnes „Komisi pro informatiku“. Později bylo poblíž Mnichova vybudováno Leibnizovo výpočetní centrum (Leibniz-Rechenzentrum, LRZ), jedna z předních evropských institucí tohoto typu.
SUPERPOČÍTAČ V LRZ: PRUDKÝ NÁRŮST VÝKONU
V Leibnizově výpočetním centru je špičkový výpočetní výkon dostupný od roku 1990. Výkon superpočítače se v průměru každých 13 měsíců zdvojnásobuje a v intervalu zhruba tři a půl roku se výkon zdesetinásobí. Dokonce i počítač SuperMUC se má během roku a půl zmodernizovat.
10 NEJRYCHLEJŠÍCH SUPERPOČÍTAČŮ
Systém IBM Sequoia, umístěný v Livermore v Kalifornii, je s 1,5 milionu výpočetních jader asi pětkrát rychlejší než superpočítač SuperMUC.
PŘÍKON DESETI NEJRYCHLEJŠÍCH POČÍTAČŮ
Energetické nároky v současné době nejvýkonnějších počítačů se pohybují v řádech megawattů - a neustále rostou. SuperMUC zachraňuje jeho chlazení horkou vodou -spotřebuje tak jen 40 procent energie.
NEJRYCHLEJŠÍ EVROPSKÝ POČÍTAČ
SuperMUC se skládá z 19 počítačových „ostrovů“, každý s 8 200 výpočetními jádry. Jeden z těchto ostrovů, nazvaný „Fat-Node“, je vybaven dodatečnou pamětí.
ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ KÁMEN SUPERMUC
Na superpočítači SuperMUC je kromě výkonu zajímavý i systém chlazení jednotlivých uzlů (viz obrázek). Procesor a paměťové moduly chladí 40 stupňů teplá voda, přiváděná v měděných trubkách.
NÁROČNÉ PROJEKTY
ASTROFYZIKA
Jak vznikl vesmír? Jaké je složení neutronových hvězd? Jak je možné, že dochází k výbuchům hvězd? Takováto tajemství vesmíru a přírody se pomocí složitých výpočtů snaží vysvětlit výkonný superpočítač SuperMUC.
LÉKAŘSTVÍ
Pacientům s tuberkulózou bývá nasazena mechanická ventilační podpora. Neobejde se to ale většinou bez následků - dochází k zánětům i selhání orgánů. Pomoci může počítačová simulace na superpočítačích, jako je SuperMUC, která umožní lépe pochopit fungování plic a předejde poškození. To je aktuální projekt Technické univerzity Mnichov.
ATOMOVÁ FYZIKA
Kvarky byly dlouho považovány za teoretický nástroj umožňující objasnit chování hadronů a mezonů. Tajemství kvarků pomáhají rozluštit právě superpočítače. Díky nim lze také na 3D modelu ilustrovat vazbovou energii jádra.
CHEMIE
Superpočítač SuperMUC najde své uplatnění i v oblasti chemie. Výzkumníci z univerzity Ruhr Universität Bochum ho například používají pro modelování superacidu CH5+, který se chová jinak, než klasické molekuly. Komplexní počítačová simulace jejich výzkum zrychluje.
GEOFYZIKA
Ohromný výpočetní výkon může zachraňovat životy. Díky paralelním počítačovým simulacím, prováděným na vysoce výkonných systémech, jako je SuperMUC, lze lépe pochopit dynamiku naší planety. Umožňuje to také simulovat pohyb zemských desek a tak přesněji předvídat možná zemětřesení.