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Living next door to ALiCE

21. Januar 2000

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Uni Wuppertal installiert Deutschlands stärksten Parallelrechner unter Linux
1,5 Millionen Mark für das Neueste vom Neuen/Einsatz in Forschung und Lehre

Das Institut für Angewandte Informatik der Bergischen Universität hat jetzt Deutschlands stärksten Parallelcomputer unter Linux! Der parallele Hochleistungsrechner-Cluster mit im Endausbau 128 Workstations von COMPAQ wird insbesondere in der Grundlagenforschung der Theoretischen Physik, der Elektrotechnik, der Angewandten Mathematik und der Informatik eingesetzt. Die Prozessoren von ALiCE - der Name steht für Alpha-Linux-Cluster-Engine - sind mit einem aus den USA stammenden Gigabit-System ("Myrinet") untereinander verbunden. Die Investition macht ca. 1,5 Millionen Mark aus, was angesichts der Leistungsfähigkeit von ALiCE ausgesprochen günstig ist.
Der parallele Hochleistungsrechner besteht aus 128 der zur Zeit schnellsten kommerziell erhältlichen Einzelprozessoren des Typs Alpha 21264 von COMPAQ. Sie sind mit 667 MHz getaktet und erbringen jeweils die gigantische Spitzenleistung von fast 1,4 Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde (sogenannten Gigaflops).

Die Verbindung der Prozessoren untereinander erfolgt über ein Myrinet-Netzwerk. Dieses Hochleistungsnetzwerk, das allein etwa ein Drittel der Gesamtkosten ausmacht, kann einen Spitzendurchsatz von 1,28 Gigabit pro Sekunde zwischen jeweils zwei Prozessoren aufweisen. Dabei wurde mit den Alpha Prozessoren eine tatsächliche Datentransferrate von über 1,1 Gigabit pro Sekunde nachgewiesen wurde. Das Gesamtsystem wird eine Spitzenleistung von mehr als 170 Gigaflops erreichen. Ausgestattet ist es mit einem verteilten Speicher von 16 GigaByte und mit der riesigen Gesamtplattenkapazität von über einem TeraByte (d.h. einer Billion Bytes!).

Das Besondere am Konzept von ALiCE ist der Aufbau aus Standard-Workstations und Netzwerkkomponenten, die man im Prinzip im nächsten Computerladen kaufen kann. Die Leistungsfähigkeit dieser "Commodity-off-the-shelf"-Systeme wurde im letzten Jahr durch die Einführung des ALPHA 21264 Prozessors so groß, dass Cluster dieser Art weitaus kosteneffektiver geworden sind als die bisher üblichen, sogenannten "proprietäre" High-Performance-Computing (HPC) Systeme. Dabei bietet ein Cluster aufgrund seiner Modularität eine bislang nicht gekannte Flexibilität: Die einzelnen Komponenten des Systems können dem Fortschritt der Technik jederzeit kostengünstig angepasst werden.

Grundlage für die neue Richtung des "Cluster-Computing" ist das Betriebssystem Linux, das offene Unix-System für den PC, das von dem finnischen Informatikstudenten Linus Torvalds in den letzen acht Jahren entwickelt wurde und inzwischen weltweit zu ungeahnter Popularität aufgestiegen ist. Speziell für ALiCE wird eine Reihe von notwendigen Software-Werkzeugen von COMPAQ unter Linux zur Verfügung gestellt, die die bequeme Steuerung des gesamten Systems von nur einer einzigen Konsole aus erlauben.

Federführend für dieses beispielhafte Projekt ist die Gruppe ,"Computergestützte Elementarteilchenphysik" um Professor Dr. Klaus Schilling am Fachbereich Physik der Universität Wuppertal. Schilling und seine Mitarbeiter haben AliCE in enger Zusammenarbeit mit Professor Dr. John Negele vom Massachussetts Institute of Technology (MIT) und Professor Dr. Walter Tichy von der Universität Karlsruhe konzipiert. Prof. Dr. Schillings Team arbeitet in der Gittereichtheorie. Simuliert wird die Quanten-chromodynamik. Diese fundamentale Theorie beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks und Gluonen. Die Auswertung der Theorie in ganz speziellen (sogenannten ab-initio) Rechnungen ist notwendig, weil analytische Methoden hier nicht greifen. Tatsächlich werden künftige Experimente nur interpretierbar, wenn die Ergebnisse theoretischer Computer-Rechnungen vorliegen.

Diese Simulationen benötigen riesige Rechnerkapazitäten benötigen, so dass klar ist, dass auch Entwicklung und Betrieb von Höchstleistungscomputern zum Aufgabenbereich der Gruppe gehören.

Dabei stehen die Wuppertaler im weltweiten Erfahrungsaustausch. Wissenschaftliche Zusammenarbeit und Vernetzung in europäischen und globalen Computerexperimenten, darunter mit DESY/Berlin, INFN/Rom und MIT/Boston, ermöglichen einen permanenten globalen Know-How-Transfer.

Bisherige Meilensteine im Höchstleistungsrechnen an der Uni Wuppertal waren 1990 die damals sensationelle Connection Machine CM2 und 1994 ihre Nachfolgerin, die ebenfalls berühmt gewordene CM5, beide von der US-Firma Thinking Machine Corporation. Der nächste Schritt wird jetzt mit ALiCE getan.

Mit den generell einsetzbaren Cluster-Computern geht die Tendenz jetzt weg von Spezialsystemen, wie sie bislang von motivierten Wissenschaftlern in Eigenbau sehr erfolgreich zur Lösung der Quantenchromodynamik entwickelt wurden.

Systeme wie ALiCE stellen leistungsstarke Instrumente für alle Bereiche der computergestützten Wissenschaft (Computational Science) dar. So wird das Clustersystem auch intensiv in der Angewandten Mathematik, in der Informatik und in der Elektrotechnik eingesetzt. Im Bereich der Elektrotechnik sind dies Projekte mit großer industrieller und sozio-ökonomischer Relevanz, beispielsweise in der Robotik, Computergraphik sowie medizinischer Datenanalyse und Visualisierung. Zu beobachten ist dabei das Ineinandergreifen der Disziplinen: Parallel-Computing, numerische Mathematik und Elektrotechnik arbeiten eng verzahnt.

Eine Schlüsselstellung nimmt die Angewandte Mathematik ein. Sie ist vertreten durch Professor Dr. Andreas Frommer, auch Direktor des Instituts für Angewandte Informatik. Neueste numerische und parallele Methoden aus Prof. Dr. Frommers Algorithmen-Schmiede kommen so Physikern, Elektrotechnikern und Chemikern zu Gute.

Neben der Forschung nimmt die Lehre am Parallelcomputer breiten Raum ein. Wuppertal bietet seit Jahren Computerpraktika auf dem parallelen Höchstleistungssystem CM5 an, die jetzt für AliCE hochschulübergreifend intensiviert werden. Eine große Zahl von Diplom- und Promotionsprojekten ist auf das neue Gerät zugeschnitten. Welche Bedeutung die computergestützten Naturwissenschaften in der Wirtschaft haben, lässt sich daran erkennen, wie begehrt Hochschulabgänger sind, die in der Lage sind, komplexe Berechnungen und Simulationen in der industriellen Praxis anzuwenden.

Besonders in der Hard- und Software-Entwicklung, in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und bei Banken und Versicherungen sind diese Experten gefragt. Einsatzgebiete sind die Anwendung und Steuerung von Computersystemen in der Finanz-Analytik, bei Flugsimulationen oder Crash-tests, neue Visualisierungs-Methoden mit dem Ziel neue Produkte zu entwickeln bzw. den Prozess des Digitalen Engineerings" mit seinen riesigen Datenmengen zu optimieren.

Die Uni Wuppertal wird mit ALiCE bis auf weiteres einen Spitzenplatz in der universitären Forschung auf dem Gebiet des High-Performance-Computing einnehmen. So wird das System bald in der weltweiten TOP 500 Liste zu finden sein, in der die stärksten Rechnersysteme aufgelistet sind.

In Zukunft allerdings werden Rechner und Netzwerksysteme nicht im heute möglichen Gigaflops-Leistungsbereich, sondern im zwei- bis dreistelligen Teraflops-Bereich gebraucht. Mit skalierbaren Cluster-Computern wie ALiCE ist ein wichtiger Schritt hin zum Teracomputing vollzogen.

Siehe auch: http://www.theorie.physik.uni-wuppertal.de/Computerlabor/
 

Michael Kroemer


WWW: Rainer Stephan, Dez 2.2