Einsatz alternativer Rechenressourcen Projekt „FiPS“ entwickelt energieeffiziente Supercomputer

Redakteur: Jürgen Sprenzinger

Das aktuelle EU-geförderte Projekt „FiPS“ (Developing Hardware and Design Methodologies for Heterogeneous Low Power Field Programmable Servers) entwickelt eine neue Klasse heterogener Supercomputer basierend auf energieeffizienten alternativen Prozessoren, wie man sie beispielsweise in heutigen Mobilgeräten mit geringer Leistungsaufnahme findet.

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Die modular aufgebaute Server-Architektur benutzt verschiedene Rechenressourcen
Die modular aufgebaute Server-Architektur benutzt verschiedene Rechenressourcen
(Bild: Christmann Informationstechnik)

FiPS hat das Ziel, die Energieeffizienz signifikant zu steigern, durch eine kluge Kombination alternativer Prozessoren wie etwa ARM Smartphone-Prozessoren, 3D-Grafikchips, rekonfigurierbarer FPGA-Hardware und Vielkern-Prozessoren.

Das Projekt wurde in der zweiten Hälfte des Jahres 2013 gestartet – durch ein Konsortium, das ganz Europa umspannt, von Griechenland bis Irland und von Frankreich bis Polen. Koordiniert wird das Projekt durch das Offis-Institut für Informatik (Deutschland). Es vereint Hardware- und Software-Spezialisten aus den Bereichen High-Performance und Embedded Computing.

Modulare Server-Architektur mit verschiedenen Rechenressourcen

Christmann Informationstechnik + Medien GmbH, CoSynth GmbH & Co. KG und die Universität Bielefeld (Deutschland) sind zuständig für die Entwicklung einer neuen modularen Server-Architektur, die in der Lage ist, nahtlos verschiedene Rechenressourcen zu beherbergen. Eingesetzt wird diese am Poznań Supercomputing and Networking Center (Polen). Offis und Cea List (Frankreich) entwickelt die dazugehörige Methodik, die dem Systemdesigner dabei helfen wird, den idealen Prozessortyp für eine Anwendung zu bestimmen, um so die passenden heterogenen Rechner zu konstruieren. Das resultierende System wird von SOFiSTiK Hellas S.A. (Griechenland), Cenaero ASBL (Belgien) und der National University of Ireland (Ireland) in der Praxis eingesetzt. Dort werden anspruchsvolle Anwendungen realisiert, deren Ziel es ist, die höchste Performance bei geringster Leistungsaufnahme zu erreichen.

Das auf drei Jahre angelegte Projekt wird durch das „7th Framework Programme“ der Europäischen Union mit einer Gesamtsumme von etwa drei Millionen Euro gefördert.

Ziel von FiPS ist die Reduktion des schnell ansteigenden Energieverbrauchs heutiger Supercomputing-Zentren. Viele der fortschrittlichsten Forschungsprogramme sind von Rechenzentren abhängig, die tausende von Computern beherbergen – derzeit die einzige Möglichkeit, auf schnelle Weise anspruchsvolle Probleme zu lösen – wie etwa die tägliche Wettervorhersage, in der fortgeschrittenen Ingenieurswissenschaft, die medizinische Tomografie-Analyse oder auch eine „einfache“ Suchmaschinenanfrage wie bei Google oder Yahoo. Diese Masse von Computern verbraucht eine Menge elektrischer Energie und die Nachfrage nach Supercomputing steigt schnell an. Bereits 15 Prozent unserer gesamten elektrischen Energie wird benötigt, um alle Computer zu Hause, am Arbeitsplatz und in Rechenzentren zu betreiben.

Das Ziel: Performance-Verbesserung und reduzierter Energieverbrauch

FiPS zielt auf zehn Prozent Performance-Verbesserung bei gleichzeitiger Reduktion des Energieverbrauchs um 30 Prozent. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung heterogener Computing-Architektur zur Optimierung des Performance/Watt-Verhältnisses, durch den Einsatz von Smartphone-Prozessoren, 3D-Grafikchips, rekonfigurierbarer Chips (FPGAs) oder Vielkern-Architektur. Das kann erreicht werden, indem man das bekannte Konzept der Embedded-Systeme auf den Bereich des High-Performance Computing anwendet, da diese alternative Architekturen unter Umständen besser für bestimmte Anwendungsteile geeignet sind – besonders im Hinblick auf Performance und Energieverbrauch, verglichen mit den komplexen Prozessoren aktueller Supercomputer.

Der Hauptteil der Rechenzeit fortgeschrittener High-Performance-Simulationen entfällt auf eine kleine Anzahl sehr CPU-intensiver Sub-Routinen, von denen viele simpel genug sind, um sie auf alternativen Rechengeräten laufen zu lassen, was die benötigte Anzahl energiehungriger High-Performance-Prozessoren reduziert.

Das FiPS-Projekt beabsichtigt, einen neuen Supercomputer zu bauen, der traditionelle Hochleistungsprozessoren(für komplexere, steuerungsorientierte und sequenzielle Berechnungen mit effizienteren Alternativprozessoren kombiniert, die für einfachere und reguläre Rechenaufgaben eingesetzt werden. Diese neuen Supercomputer werden schneller sein und gleichzeitig den Energieverbrauch deutlich reduzieren.

Die Herausforderung beim Bau von Supercomputern aus einem heterogenen Prozessoren-Netzwerk (anstelle eines regulären Netzes identischer Prozessoren) ist die Synchronisation der verschiedenen Komponententypen: Verschiedene Rechnerarten benötigen unterschiedliche Programmiersprachen, und es gibt keine einfache Möglichkeit, um herauszufinden, welcher Prozessortyp am Ende eine Rechenaufgabe am schnellsten und energieeffizientesten ausführen kann. Außerdem müssen alle Prozessoren, die an verschiedenen Teilen desselben Problems arbeiten, ihre Zwischenresultate untereinander kommunizieren und synchronisieren.

Nur eine einzige Programmiersprache erforderlich

FiPS erstellt eine Programmiermethodik, die nur eine einzige Programmiersprache zur Entwicklung des Supercomputing-Programmes benötigt, welches dann den am besten geeigneten Prozessortyp bestimmt und das Programm automatisch in die passende Programmiersprache übersetzt. Der User erhält anschließend eine Vorhersage über die Programmgeschwindigkeit und den Energieverbrauch. Mit diesen Daten kann die Anwendung entsprechend justiert werden, um Performance und Energieeffizienz zu erhöhen.

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