Der Wettlauf zum Petaflop

Mit Milliarden Rechenschritten pro Sekunde spucken Supercomputer bunte Karten zum Klimawandel und zur Entstehung von Hurrikanen aus. Genforscher simulieren mit geballter Rechenkraft Proteinstrukturen, Materialwissenschaftler neue Werkstoffe für die Nanoelektronik. "In silico" avanciert neben "in vitro" und "in vivo" zu einer zentralen wissenschaftlichen Methode, die klassische Prototypen und Reagenzglasversuche zunehmend ergänzt. Die Industrienationen setzen zu einem Wettrennen um die schnellsten Rechner der Welt an. Und nach einer anfangs guten Position drohen Europa und Deutschland hinterher zu hinken.

Mit der PACE-Initiative, die heute in Berlin vorgestellt wird, könnte Europa auf eine Pole-Position vorpreschen. In 15 EU-Staaten soll mit dem "Partnership for Advanced Computing in Europe" ein ganzes Netzwerk von Supercomputern für Forscher aus Universitäten und Wirtschaft entstehen. Vier Spitzenrechner der Petaflop-Klasse, von denen jeder einzelne rund eine Billiarde Rechenschritte pro Sekunde leisten sollen, sind an den Standorten Frankreich, Spanien, Großbritannien und Deutschland geplant. Mittelgroße Computer sollen auf nationaler Ebene weniger rechenintensive Arbeiten übernehmen. Und lokal könnte ein ganzer Schwarm aus kleinen Supercomputern Forschern einen raschen Zugriff für ihre Probleme sichern. "Sonst werden wir abgehängt", sagt Achim Bachem, Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich und Mitinitiator von PACE. Denn die USA werden wahrscheinlich 2008 die Petaflop-Hürde nehmen und Japan plant bis 2012 sogar eine 10-Petaflop-Maschine.

Auf etwa 500 Mio € schätzt der europäische Expertenrat für wissenschaftliche Infrastruktur ESFRI (European Strategy Forum for Research Infrastructures) allein die Investitionskosten in den kommenden Jahren. Weitere 100 bis 200 Mio € jährlich sollen den Betrieb der Hochleistungsrechner sicher stellen. Ob PACE die europäischen Gutachter überzeugen wird, entscheidet sich in den kommenden Monaten. Achim Bachem glaubt fest an den Zuschlag aus Brüssel. "Es wird keinen anderen Bewerber mit dieser Qualität geben." Da alle führenden europäischen Rechenzentren - vom Gauss-Verbund in Deutschland bis zum größten Europa-Rechner MareNostrum in Barcelona - an PACE beteiligt sind, scheint die Entscheidung der Europäischen Kommission eine reine Formsache.

Gut 80 Mio € fließen dann aus Brüsseler Töpfen in die Vorbereitung und die erste Ausbauphase des ambitionierten Rechnernetzwerks. Die restlichen etwa 400 Mio € werden vor allem aus den vier dominierenden Staaten (UK, D, F, ES) kommen müssen. Da Deutschland die Konsortialführerschaft von Pace inne haben könnte, wird der Anteil von Bund und Ländern wohl kaum unter 125 Mio € liegen. "Dafür werden die vier zentralen Länder auch mehr Stimmrecht bei der Nutzung der Computer haben", sagt Bachem. Wie genau die Zusammenarbeit und das Zuteilungsverfahren laufen soll, muss noch im Detail geklärt werden. "Das dauert ein bisschen", weiß Bachem.

Der Bedarf an den Spitzenrechnern ist auf alle Fälle gegeben. "Wir rechnen mit einer Überbuchung um den Faktor 2 bis 2,5", so Bachem. Nur die besten Anträge sollen durch ein internationales Expertenteam Zugang zu den Supercomputern erhalten. Für die Organisationsstruktur können andere europäische Projekt wie das Forschungszentrum Cern oder das Fusionsprojekt Iter als Vorbild dienen. Im Unterschied zu den amerikanischen Spitzenmaschinen am Lawrence Livermore National Laboratory oder an den Sandia Labs werden die europäischen Rechner offen für jede Art der Forschung sein. Dass hier wie in den USA rüstungsrelevante Probleme berechnet werden, ist eher unwahrscheinlich.

Die PACE-Initatoren rechnen mit Anfragen aus allen naturwissenschaftlichen und technischen Disziplinen. Denn schätzten bisher Klimaforscher und Astrophysiker die geballte Rechenleistung, wollen nun zunehmend Ingenieure ihre Motoren, Kraftwerke und Werkstoffe komplett simulieren. "Beispielsweise im Motorenbau können wir damit völlig neue Wege gehen", sagt Michael Resch, Leiter des Hochleistungsrechenzentrums HLRS an der Universität Stuttgart. Simulierte Einspritz- und Brennprozesse sollen die Effizienz erhöhen und den Schadstoffausstoß der Maschinen verringern. Und im Fahrzeug- und Flugzeugbau sollen Simulationen zu einer optimalen Aerodynamik führen. Zudem können mit Petafloprechnern erstmals nicht nur einzelne Prozesse, sondern ganze Kraftwerke simuliert und an die Grenzen ihrer Effizienz getrieben werden.

Gerade für die exportorientierte deutsche Industrie ist das von zentraler Bedeutung. "Der Maschinenbau wird ohne solche Computersimulationen mittelfristig nicht konkurrenzfähig auf dem Weltmarkt sein", ist Resch überzeugt. Nur über die Superrechner könne der Vorsprung in exzellenter Technik gehalten werden. Parallel gilt es, neue Werkstoffe zu entwickeln. "Materialwissenschaftler wollen auf die atomare Ebene gehen", weiß Resch. Derzeit simulieren sie den Aufbau von neuen Materialien noch mit einer bescheidenen Auflösung. "Heute stehen sie da mit einer Auflösung von 100 auf 100 auf 100 Atomen vor einer Wand", so Resch. Doch die geplanten Rechner können mit einer vieltausendfachen Genauigkeit den Weg zu neuen leichten und ultrafesten Materialien weisen.

Doch Supercomputer sind keine PCs. Sie müssen fachgerecht mit Problemen gefüttert werden. Resch zieht dazu gerne den Vergleich mit einem Formel-1-Boliden heran. "Ein ungeübter Nutzer bleibt immer im ersten Gang." Parallel zum Ausbau der Rechenkapazität wird PACE die Ausbildung gezielt unterstützen. "Fachleute aus der jeweiligen Community werden mit Informatikern, die den Rechner gut kennen, zusammenarbeiten", sagt Bachem.

Bevor die europäischen Forscher mit den Supercomputern neue Erkenntnisse gewinnen und Produkte entwickeln, profitieren die amerikanischen und japanischen Hersteller wie IBM, NEC, Cray oder SGI Silicon Graphics von der steigenden Nachfrage. Europa spielt abgesehen von einigen Chips aus dem AMD-Werk in Dresden bei der Hardware kaum eine Rolle. Aber Pace könnte bei der Bedienung und der Softwaretechnologie für die Rechnerboliden marktrelevantes Wissen erzeugen. "Es geht nicht nur um den Chip, sondern um die Software und alles was daran hängt. Die Wertschöpfungkette ist sehr viel länger", sagt Bachem. Denn der heutige Supercomputer werde schon morgen auf dem Schreibtisch stehen. Und hier hat Europa die Chance, von den Softwareschmieden in Fernost oder aus dem Silicon Valley unabhängiger zu werden. (nbo)