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Neue Prozessoren erlauben Höchstleistung bei Niedrigverbrauch Supercomputer Fugaku: maximale Energieeffizienz mit ARM-Prozessoren von Fujitsu

Mit einer neuen Hochleistungs-CPU ermöglicht Fujitsu die besonders hohe Energieeffizienz des Supercomputers „Fugaku“ des japanischen RIKEN-Forschungsinstituts. Er ist für rechenintensive Aufgaben ausgelegt und soll auch in der Medikamentenforschung zum Einsatz kommen.

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(Bild: Fujitsu)

Das Thema Energie-Effizienz gewinnt auch und gerade bei Höchstleistungs-Rechenzentren an Bedeutung. Beispiel „Fugaku“: Der Supercomputer, der in Zusammenarbeit von Fujitsu und Riken designt wurde. Aktuell wird er beim japanischen Forschungszentrum RIKEN installiert und soll bei strategischen Anwendungen mit bis zu 100facher Rechenleistung im Vergleich zum Vorgänger „K Computer“ zum Einsatz kommen. Dabei gibt er sich mit einem Verbrauch von maximal 30 bis 40 Megawatt ausgesprochen bescheiden.

Um dieses Ziel zu erreichen wurde die neue Fujitsu-CPU A64FX auf Basis der ARM-Architektur entwickelt. Fugaku ist für rechenintensive Aufgaben ausgelegt – und wird auch für die Analyse des neuartigen Corona-Virus und die Entwicklung neuer Medikamente, beispielsweise gegen COVID-19, genutzt. Ein Prototyp mit zwei Racks und 768 A64FX-Prozessoren erreichte in einem Testlabor eine Rechenleistung von 1.999,5 TeraFLOPS bei einem Strombedarf von 118 kW.

Die Universal-Hochleistungsprozessoren der Reihe A64FX, die Fujitsu auf Grundlage der ARM-Architektur designt hat, können als Variante in der höchsten Performance-Stufe eine Rechenleistung von 3,3792 TeraFLOPS zur Verfügung stellen. Rund 400 Racks mit jeweils 384 Nodes werden im Superrechner Fugaku installiert.

Nach seiner Fertigstellung 2021 wird das System eine Spitzenleistung von ca. 540 PetaFLOPS (Floating-Point Operations per Second) haben. Eine solche Leistung wird zum Beispiel für komplexe Simulationen oder die Entwicklung von KI-Algorithmen benötigt. Auch für verfeinerte Diagnoseverfahren und die Entwicklung therapeutischer Wirkstoffe ist sie erforderlich.

Die PRIMEHPC FX1000 CPU Memory Unit
Die PRIMEHPC FX1000 CPU Memory Unit
(Bild: Fujitsu)

Energieverbrauch deutlich reduziert

Eine zentrale Vorgabe für den Supercomputer war ein möglichst niedriger Energieverbrauch. Auch in dieser Disziplin sorgt der Fugaku für Superlative: Ein Prototyp mit zwei Racks und 768 A64FX-Prozessoren erreichte in Tests eine Rechenleistung von 1.999,5 TeraFLOPS bei einem Strombedarf von nur 118 kW. Damit beträgt die Energieeffizienz des Systems rund 16,9 GigaFLOPS/W.

Das brachte dem Prototypen von Fugaku im November 2019 den ersten Platz auf der Green500-Liste. Sie führt Supercomputer entsprechend ihres Stromverbrauchs auf. Mit dem klaren Fokus auf einer maximalen Energie-Effizienz gehen Fujitsu und RIKEN neue Wege: Erstmals spielt Nachhaltigkeit bei der Konzeption eines derartigen Projekts eine höchstprominente Rolle. „Super“ bezieht sich somit künftig nicht nur auf die reinen Leistungsdaten in diesem Bereich, sondern auch auf den Umgang mit den Ressourcen.

Der A64FX CPU Chip
Der A64FX CPU Chip
(Bild: Fujitsu)

A64FX läutet neue Epoche ein

Der ARM-basierte neue Prozessor wird mithilfe eines 7-nm-Prozesses gefertigt. Zu den 48 Cores addieren sich vier Assistenz-Rechenkerne sowohl für das Betriebssystem als auch I/O-Befehle. Eine Besonderheit der CPU ist die Unterstützung von SIMD-Instruktionen (Single Instruction Multiple Data) mit einer Weite von 512 Bit. Die Grundlage dafür bildet das Arm8.2-A Instruction Set, das Fujitsu um Vektorbefehle (SVEs, Scalable Vector Extensions) erweitert hat. Damit ist der A64FX die erste ARM-CPU auf dem Markt, die solche Befehle unterstützt. Für einen schnellen Datentransport hat Fujitsu beim A64FX den Hauptspeicher von 32 GByte pro CPU als High-Bandwidth Memory (HBM2) realisiert. Die Datentransferrate beträgt somit bis zu 1 TByte/s. Die Verbindung zum Netzwerk basiert auf Tofu D, einer Interconnect-Technologie von Fujitsu für Supercomputer.

Mit Co-Creation zum Erfolg

Entwickelt wird der Fugaku im „Co-Creation“-Verfahren. Fujitsu stimmte die Mikroarchitektur der Prozessoren sowie Speicher- und Interconnect-Komponenten auf die Performance-Ziele von RIKEN ab. RIKEN passte wiederum den Source-Code der Anwendungen entsprechend an. Dies erfolgte in Form von Feedback-Schleifen. Im Komplettausbau bietet der Fugaku bei strategischen Applikationen künftig eine um den Faktor 100 höhere Leistung als der Vorläufer K Computer. RIKEN hat für den Superrechner fünf Einsatzfelder festgelegt. Neben der Grundlagenforschung und industriellen Anwendungen sind dies Gesundheit und Energie. Hinzu kommen Projekte im Bereich Umwelt. Zu den Anwendungen zählen beispielsweise die Analyse von Proteinen, die Erforschung von neuen Medikamenten oder die Berechnung der Wetterentwicklung. Eine weitere Applikation soll Erdbeben simulieren.

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