Eine zuverlässige Wettervorhersage, die Abläufe beim Urknall oder die Modellierung von Molekülen zur Entwicklung hochwirksamer Medikamente – im High-Performance Computing (HPC) geht es darum, die komplexesten Probleme der Menschheit zu lösen. Untersucht werden diese und ähnliche Fragestellungen in äußerst rechenintensiven Anwendungen auf Supercomputern. Die Numerische Simulation auf Supercomputern bietet vielfältige Anwendungsszenarien: Wie entsteht ein aerodynamisches Fahrzeugdesign?

Welche Molekülketten bilden das perfekte Medikament? Wie lassen sich mit minimal-invasiven Eingriffen Blutströme bei Herzkranken lenken? Da computergestützte Simulationen auf herkömmlichen PCs nicht funktionieren, braucht es Supercomputer; die Fachwelt spricht von High-Performance Computing. HPC ist also nicht mehr und nicht weniger als der Überbegriff für die Nutzung extremer Rechenleistung auf den leistungsstärksten Computern der Welt.

Supercomputing lässt sich aus zwei Blickwinkeln betrachten: Aus der Hardware- und der Softwareperspektive. Auf Hardware-Seite ist HPC durch eine besondere Architektur gekennzeichnet, in der Regel durch Parallelcomputer. Sie bestehen vereinfacht ausgedrückt aus einer größeren Anzahl zusammengeschalteter Rechner. Im HPC-Jargon heißen sie Knoten und sie werden mit Hochleistungsnetzen untereinander verbunden. Beispielsweise hat Hawk, das System des HLRS Stuttgart, mehr als 5.600 Knoten zur verfügen. Darüber hinaus benötigen HPC-Systeme sehr viel Storage, um die gewaltigen Datenmengen zu speichern und für eine weitere Verarbeitung zugänglich zu machen.

Software-seitig finden sich – erneut stark vereinfacht – Applikationen, mit denen sich die Abläufe der Rechenjobs auf Supercomputern organisieren lassen (Computer-Cluster-Software, wie Scheduler oder Node-Management). Darüber hinaus existiert im Computer Aided Engineering inzwischen eine Vielzahl leistungsfähiger Simulationssoftware, die von Unternehmen wie Ansys, Cadfem, Dynamore oder Siemens entwickelt werden und die auch mit der Leistung der HPC-Systeme umgehen können. Zudem finden wir eine Fülle von Open-Source-Codes, die meist von wissenschaftlichen Instituten an Universitäten zur Lösung vielfältiger Engineering-Probleme entwickelt werden.

Bei manchen Anwendungen sind die Simulationen sehr komplex und erzeugen einen extrem hohen Rechenaufwand. Hier kann die Berechnung oft nur mit Supercomputern erfolgen. Rechenleistung wird im HPC in Tera-FLOPS (eine Billion Berechnungen) oder Peta-FLOPS (eine Billiarde Berechnungen) pro Sekunde angegeben. FLOPS steht hier für „Floating Point Operations Per Second“, also Gleitkomma-Operationen pro Sekunde. Je höher die Rechenleistung, desto schneller kann ein HPC-System das betreffende Problem lösen. Vorausgesetzt, die eingesetzte Software-Applikation ist ordentlich programmiert.

Im anderen Fall geht es darum, immer größere Probleme bei gleichem Einsatz von Rechenzeit zu lösen. Dies ist gar nicht so selten. Die Anforderungen an Simulation wachsen stetig. Simulationskunden fragen immer komplexere Modelle und multidisziplinäre Anwendungsfälle nach. Der Wunsch nach „Realitätsnähe“ treibt bei Simulationen die Komplexität der Modelle. Je realitätsnäher, umso mehr Gleichungen werden berechnet. Der Aufwand wächst, Alltags-PCs versagen. 

Nicht nur die Wissenschaft baut auf Supercomputer, sondern auch die Industrie. Erstere nutzt HPC in den unterschiedlichsten Disziplinen, um Erkenntnisse über die Wirklichkeit zu generieren. Dieses Wissen wird mit Hilfe von computergestützten Simulationen gewonnen, die Aussagen über die Eigenschaften physikalischer Phänomene ermöglichen.

Auch die Industrie setzt verstärkt auf HPC, meist im Bereich der Forschung und Produktentwicklung, denn hier liegen die rechenintensivsten Herausforderungen. Die Anwenderbranchen sind zahlreich: Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Energiewirtschaft, Medizin, Stadtplanung, Landwirtschaft, Maschinenbau und viele andere Industriezweige mehr.

Das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) bietet Wissenschaft und Industrie Zugang zu Supercomputern. Es wurde 1995 unter dem Dach des Rechenzentrums der Universität Stuttgart gegründet und ist seit 1996 das erste deutsche Bundeshöchstleistungsrechenzentrum.

Das HLRS ist seit 2003 eine eigenständige zentrale Einrichtung der Universität Stuttgart. Wir betreiben einen der schnellsten Supercomputer der Welt. Das HLRS stellt seine Rechner und Services auch der Industrie und KMUs zur Verfügung.