Die Kraft des Drachenkerns

Chinas nächster Supercomputer wird erstmals mit einheimischen Loongson-Chips bestückt sein und mit dem Betriebssystem Linux laufen. Die Prozessor-Architektur entspricht zwar nicht dem Standard für Hochleistungsrechner, die Maschine könnte aber dennoch die Petaflops-Marke knacken.

Die Anzeichen hatten sich bereits seit längerem verdichtet, nun ist es offiziell: Chinas nächster Supercomputer, der Dawning 6000, wird erstmals mit einheimischen Loongson-Chips bestückt sein, wie Weiwu Hu, maßgeblicher Architekt der Prozessor-Familie am Institute of Computing Technology (ICT) bestätigt hat. Zudem werde der Rechner mit dem Open-Source-Betriebssystem Linux laufen. Damit vollzieht China eine Kehrtwende: Das Vorgänger-Modell Dawning 5000a, das 2008 als Nummer 11 auf der halbjährlich aktualisierten Liste der schnellsten Rechner der Welt debütierte, basierte noch auf Chips von AMD und dem Betriebssystem Windows HPC Server.

Das ist bemerkenswert, da die "Drachenkerne" – so die Übersetzung von "loongson" oder korrekter "lóngxin" – bislang nur in Netbooks und PCs aus chinesischer Produktion eingesetzt wurden. Zwar sollte auch der Dawning 5000a schon mit den CPUs laufen. Doch die Ingenieure am ICT schafften es offenbar nicht, rechtzeitig eine ausreichend leistungsfähige Architektur für den Loongson zu entwickeln, so dass die Dawning Information Industry Company, die die Superrechner baut, notgedrungen auf Chips von AMD zurückgreifen musste. Laut Hu soll der Dawning 6000 Mitte des Jahres fertig sein und noch vor Jahresende in Dienst gehen.

Die Entwicklung am Prozessor Loongson 3 begann 2001 im Rahmen des zehnten chinesischen Fünfjahresplans. Er arbeitet mit dem in den 1980ern entwickelten MIPS-Befehlssatz (MIPS steht für „Microprocessor without interlocked pipeline stages“), für den das ICT im vergangenen Jahr eine vollständige Lizenz erworben hatte. Er wird in heutigen PCs und Servern allerdings immer seltener eingesetzt, während er in eingebetteten Chips noch häufig vorkommt. Unter den derzeit 500 stärksten Superrechnern basieren 85 Prozent auf der x86-Architektur, nur 15 Prozent verwenden eine andere Prozessorarchitektur.

Es handele sich aber um eine Hochleistungs-MIPS-Variante, bekräftigt Art Swift von der kalifornischen Firma MIPS Technologies, die den Befehlssatz ab 1984 weiterentwickelte. „Wenn man sie in einer Cluster-Konfiguration einsetzt, wird sie sehr leistungsfähig.“ Wie im vergangenen Jahr in einem wissenschaftlichen Artikel der ICT-Ingenieure beschrieben, sollen die Loongson-3-Chips in einer Anordnung mit bis zu 16 Kernen eingesetzt werden. 782 solcher 16-Kern-Chips würden genügen, damit der Dawning 6000 die Petaflops-Marke schafft, sagt Tom Halfhill, Analyst beim Microprocessor Report. Petaflops steht für eine Billarde Rechenoperationen pro Sekunde („Floating point Operations Per Second“). Der derzeitige Spitzenreiter Jaguar von Cray schafft 1,75 Petaflops.

Der Loongson 3 unterscheide sich von seinem Vorgängermodell Loongson 2F hauptsächlich darin, dass er eine Hardware-Übersetzung für den gängigen x86-Befehlssatz habe, sagt Halfhill. Der wird in den meisten Prozessoren von AMD und Intel eingesetzt. Auffallend sei hingegen, dass der Prozessor nicht für das so genannte Multithreading ausgelegt sei, mit dessen Hilfe ein Kern mehrere Rechenanweisungen auf einmal ausführen kann, was Intel und Sun Microsystems in einigen Chips nutzen.

Die zweite und die dritte Generation des Loongson arbeiten beide mit demselben Kern. Von der Quad-Core-Variante des Loongson 3 (mit vier Kernen) gibt es bereits einen Prototypen. Von der endgültigen Version, die eine Strukturgröße von 65 Nanometern hat – zum Vergleich: Intel, AMD und Matsushita produzieren bereits mit 45 Nanometern –, ist bereits das so genannte Tape-out fertig. Diese letzte Stufe der Prozessorentwicklung geht in Kürze an den Hersteller STMicroelectronics.

Während sich die Vier-Kern-Variante für Rechner im Massenmarkt eignet, wird der Petaflops-Rechner Dawning 6000 mindestens eine Acht-Kern-Variante bekommen. Neben vier normalen Kernen soll er vier „GStera“-Koprozessoren enthalten. Die sind für mathematisch aufwändigere Algorithmen ausgelegt. Dazu gehört der LINPACK-Test mit Berechnungen in Linearer Algebra, der die Messlatte für die weltweiten TOP-500-Superrechner ist.

Die Kombination aus Mehrzweck- und Spezialkernen sei derzeit die Standardkonstruktion für Supercomputer, erläutert der Informatiker Jack Dongarra, der den LINPACK-Test entwickelt hat. Jeder Kern des Quad-Core-Loongson 3 enthält je zwei Einheiten für 64 Bit lange Gleitkommazahlen. Das würde theoretisch genügen, um ihn auch im Dawning 6000 einzusetzen, sagt Dongarra. Allerdings wären dann deutlich mehr Chips nötig als bei der Acht-Kern-Variante, um auf dieselbe Leistung zu kommen.

Der chinesischen Herausforderung im Supercomputer-Segment sieht man bei Intel jedoch gelassen entgegen. „Es ist schwierig, die Wirkung eines Produktes auf den Wettbewerb zu beurteilen, wenn es noch nicht existiert. Daran beteiligen wir uns grundsätzlich nicht“, sagt Intel-Sprecher Chuck Mulloy. „In unserer gesamten Firmengeschichte gab es zu jeder Zeit einen Konkurrenten. Das wird sich auch nicht ändern – tatsächlich begrüßen wir das sogar.“

Auch Dongarra hält nichts davon, über die Leistungsfähigkeit des Dawning 6000 zu spekulieren. Nicht nur mangels Benchmark-Tests, sondern auch weil die MIPS-Architektur nicht der Standard für Hochleistungsrechner ist. „Ich wünsche Ihnen Erfolg, sehe aber einige Schwierigkeiten, um das ganze System zum Laufen zu bringen“, dämpft Dongarra überzogene Erwartungen.

Halfhill, der kürzlich selbst am ICT war, ist aber überzeugt, dass China über kurz oder lang wettbewerbsfähige Chips produzieren wird. „Technisch gibt es keinen Grund, dass die Chinesen nicht auch Weltklasse-Prozessoren bauen. Ihre Informatiker und Ingenieure sind genauso klug wie unsere.“ (nbo)