Fortschreibung eines nat. HPC-Konzeptes Die Rollen von PRACE, GCS und Gauß-Allianz

Prof. Dr. Heinz-Gerd HegeringVorstandsvorsitzender Gauss Centre for Supercomputing e. V.

Vorstand Gauß-Allianz19. Mai 2011

Gliederung

• Einleitung• HPC-Situation in Deutschland: Rückblick• Gauss Centre for Supercomputing (GCS) e. V.• GCS und PRACE• Gauß-Allianz• Fortschreibung nationales HPC-Konzept

Bedeutung von High Performance Computing (HPC)

Modellierung und Simulation stellen Wettbewerbsfaktor dar• für die Weiterentwicklung der Wissenschaften• für die Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen

Simulationen ergänzen Theorie und Experiment in Wissenschaft und Technik• schneller• billiger• umweltschonend• manchmal der einzige Weg

Wissenschaftliches Rechnen und HPC müssen als zusätzliche Methodikdes Erkenntnisgewinns auf der Basis eines nationalen Versorgungskonzeptes gefördert werden (Sicherung des Standortvorteils)

Beispiel-Anwendungen

• Strömungsdynamik: Optimierung von Turbinen, Tragflächenoptimierung, Lärmreduktion, Klimatisierung in Zügen

• Fusionsforschung: Plasma in künftigen Fusionsreaktoren (ITER)• Astrophysik: Entstehung und Entwicklung von Sternen und Galaxien• Festkörperphysik: Supraleitung, Oberflächeneigenschaften• Geophysik: Erdbebenszenarien• Materialwissenschaften: Halbleiter• Chemie: Katalysatorreaktionen• Medizin und Medizintechnik: Blutströmungen, Aneurysmen, Klimatisierung in

Operationssälen• Biowissenschaften: Viruseigenschaften, Genom-Analyse• Klimatologie: Ozeanströmungen

Begriffe

• Wiss. Rechnen: Entwicklung und Einsatz von math. und statistischen Modellen und Verfahren unter Nutzung von Rechnern

• Hoch-/Höchstleistungsrechnen (HPC): falls für wiss. Rechnen Systeme niedriger Leistungsstufen (in Bezug auf Prozessor-architektur/-leistung, Prozessoranzahl, Speichergröße/Zugriffs-charakteristik) nicht ausreichen

• HPC Capacity Computing: Ziel ist Durchsatzmaximierung vieler Programmläufe mit jeweils beschränkten Ressourcenanforderungen

• HPC Capability Computing: Durchführung einzelner, sehr umfangreicher Simulationsprogramme mit Bedarf an sehr hoher Prozessorleistung, hoher Speicherbandbreite und sehr gutem Internnetz

WR-Aussagen zum HPC in Deutschland1995 Empfehlung zur Versorgung von W&F mit

Höchstleistungsrechenkapazität1999 Stellungnahme zur Einrichtung von Zentren für

Höchstleistungsrechnen2000 Empfehlung zur zukünftigen Nutzung von

HöchstleistungsrechnernAussagen: - Höchstleistungsrechenzentren an der Spitze der Versorgungspyramide

- Beschaffungsspirale- Schaffung eines

nationalen Koordinierungsausschusses ( 2001- 2007 tätig)

- Forderung nach HPC-Kompetenznetzwerken

- Forderung nach einschlägigen Studiengängen

- Absage an eine nachfrageorientierte Steuerung der HLR-Nutzung durch Gebühren

- Nutzungszugang aufgrund wissenschaftlicher Beurteilung

2004 Empfehlung zur Einrichtung europäischer Höchstleistungsrechner- Ziel: Konkurrenzsituation zu USA und Japan verbessern- Konzepte: Versorgungspyramide und Beschaffungsspirale übernehmen

HPC-Versorgungspyramide

ca. 10

ca. 100

3

Europäische Höchstleistungsrechenzentren (Tier0)

Nationale Höchstleistungsrechenzentren (Tier1)

Thematische HPC-Zentren,Zentren mit regionalen Auf-gaben (Tier2)

HPC-Server(Tier3)

GaussCentre for Supercomputing (GCS) e. V.(Garching, Stuttgart, Jülich)

Aachen, Berlin, DKRZ, Dresden, DWD, Karlsruhe, Hannover, MPG/RZG, udgl.

Hochschule/Institut

Auf dem Weg zu einem nationalen HPC-Konzept (1)Ab 2001 Nationaler Koordinierungsausschuss

August 2005 Studie: Petaflops-Computing mit Standort Deutschland im europäischen Forschungsraum

(Scientific Case im Auftrag des BMBF)

Mai 2006 Gemeinsame Arbeitsgruppe Bayern/Baden-Württemberg:„Konzept für Einrichtung und Betrieb eines Deutsch-Europäischen Zentrums für Höchstleistungsrechnen“

13. Juli 2006 Pressemitteilung BMBF zum geplanten Verbund der drei

Höchstleistungsrechenzentren

Juni/Sept. 2006 „Reuter-Kommission“: Studie „HPC in Deutschland – Argumente zur Gründung einer strategischen Allianz“

ab Juli 2006 Arbeiten zur Gründung des Gauss Centre for Supercomputing (s.u.)

Auf dem Weg zu einem nationalen HPC-Konzept (2)13.04.2007 Gründung des GCS e. V. mit Sitz in Berlin

16.04.2007 European MoU PRACE und FP7-Proposal

09.11.2007 der „NatKo“ des WR wird ausgesetzt 16.07.2008 MoU zur Gründung der Gauß-Allianz

16.09.2008 Verwaltungsabkommen zu GCS zwischen BMBF, BW, BY,NRW

Nov. 2008 Vorhabensantrag PetaGCS

03.12.2008 Vereinsgründung Gauß-Allianz e. V. mit Sitz Berlin

09.12.2008 Genehmigung Projekt PetaGCS

09.06.2010 Gründung PRACE AISBL

10.02.2011 GCS legt Entwurf zur Fortschreibung d. „Reuter-Papiers“ vor

15.02.2011 Anhörung des Wissenschaftsrates zur Situation des HPC in Deutschland und zur Wiederbelebung des „NatKo“

Ziele und Aufgaben des GCS

• Nachhaltige Versorgung der computergestützten Wissenschaften in Deutschland und Europa mit HPC-Rechenkapazität der obersten Leistungsklasse

• Förderung von Wissenschaft und Forschung durch Gewinnung von neuen technischen Erkenntnissen und Erfahrungen auf dem Gebiet des wissenschaftlichen Supercomputing, insbesondere durch Bündelung der Supercomputer-Ressourcen in den Bereichen Höchstleistungsrechnen und Capability Computing im nationalen, aber auch im europäischen Rahmen.

• Koordination der drei nationalen HPC-Zentren. Dies betrifft die Interoperabilität zwischen den Zentren, die Evaluierung und bedarfsgerechte Abstimmung von Rechnerarchitekturen und deren Beschaffungen. Es bedeutet auch die Festlegung einer gemeinsamen Nutzungs- und Zugangspolitik.

• Engste Kooperation mit der Gauß-Allianz, die die regionale und themenbezogene HPC-Versorgungsebene in Deutschland umfasst.

Gauß-Zentrum für Supercomputing - Ziele - o Ziele nach „außen“

• Stärkung der nationalen Handlungsfähigkeit• Europäische Führerschaft• Höchstleistungsrechnen als Schlüsseltechnologie auf höchstem Niveau

für Wissenschaft und Wirtschaft zugänglich machen• Vorsprung von USA und Japan ausgleichen• Führende Beteiligung an PRACE

o Ziele nach „innen“ Erarbeitung eines Betriebs- und Organisationsmodells für GCS

• Vorbereitung eines gemeinsamen Finanzierungsmodells Bund/Länder

• Abstimmung im Kontext PRACE• Koordinierte Beschaffungsplanung• Koordinierung der Infrastrukturen• Koordinierung von Nutzungszugang und Nutzersupport• Koordinierung von Entwicklungsaktivitäten

Aktives Mitwirken bei der Gründung einer deutschen HPC-Allianz

Struktur der Förderung

BMBF

BY

NRW

BW

Verwaltungsvereinbarung

Projektsteuerungskreis

50% Fehlbedarfs-finanzierung

Jew

eils

1/6

der

Gesa

mtfi

nanz

ieru

ng

HLRS

JSC

LRZ

GCS

Kooperationsvertragder Forschungspartner

Projektphasen

PetaGCS (Phase 1)

PetaGCS (Phase 2)

GCS (Phase 3)

2008 2014 2016 2018ff

Aufbau der Organisation • Einrichtung Geschäftsstelle• Beschaffung von

Höchstleistungsrechnern• Einrichtung von

Arbeitsgruppen• Implementierung von

Prozessen

Ausbau der Infrastruktur und Services • Aufstockung der Systeme• Beschaffungszyklus (jedes

Jahr ein neues Höchstleistungssystem)

Nachhaltiger Betrieb und Finanzierung

Entwicklunsgziele: Service Orientierung , Exascale Capability

GCS-Systeme (für Tier0/1)

o @ Jülich: „JUGENE“

• IBM Blue Gene / P auf Basis IBM Power PC 450, 294912 Cores in 72 Racks

• Erstes 1 Petaflop-System in Europa, Installation Juli 2009, 1. Lieferstufe

• Bisher 5 GCS-Calls

o @ Garching: „SuperMUC“

• System von IBM auf Basis Intel-Prozessoren. Ca. 150.000 Cores, IB-FDR, 3 Petaflops, < 4 MW, PUE < 1,1

• Integrationssystem Q3/2011, Gesamtsystem bis 01/2012#

o @ Stuttgart: „HERMIT“

• System von Cray auf Basis AMD-Prozessoren und Akzeleratoren

• 1. Stufe Q3/2011, 2. Stufe ab Q2/2013 (4 Petaflops)

GCS und PRACE (1)

o PRACE: Partnership for Advanced Computing in Europe

Ziel: Aufbau eines europäischen HPC-Ökosystems

Auslöser: FP7-Call (2007), Projekt Proposal 17.04.2007

PRACE Consortium: 15 Länder, Principal Partners D, F, GB, E, NL

Deutschland vertreten durch GCS

GCS ist Principal Partner und Projektkoordinator (Jülich)

o Preparatory Phase ab 01.01.2008 – 2010 (20 Mio. Euro)

Untersuchungen von organisatorischen, rechtlichen und technischen Alternativen und Voraussetzungen zur Schaffung und zum Betrieb einer europäischen HPC-Infrastruktur

GCS und PRACE (2)

o Aufgaben der Preparatory Phase (01/2008-06/2010)

• Untersuchung von Rechtsformen und Satzungen sowie von Governance-Strukturen für EU-Ebene

• Untersuchung zu Finanzierungs- und Betriebsmodellen

• Sammlung von Anwendungsanforderungen, Portierung und Skalierung ausgewählter Applikationen

• Entwicklung eines Peer-Review-Prozesses

• Untersuchung von Architekturen und Herstellern von Petaflop/s-Systemen. Sichtung geeigneter Prototypen und Herstellerkooperationen

GCS und PRACE (3)

o PRACE First Implementation Project (07/2010 – 06/2012)

• Weiterführung und Umsetzungsplanung der Preparatory Phase

• Vorbereitung der Gründung einer PRACE Legal Entity (Satzung, Ortswahl, etc.)

o Gründung PRACE AISBL in Brüssel am 9.6.2010

• 20 Gründungsmitglieder, davon als Hosting Partner D, E, F, I

• Organe sind Council, Director / BoD

• Unterstützend: Scientific Steering Committee, Access Committee

• Hosting Partners „zahlen“ Cycles im Wert von 100 Mio. € / 5 Jahre

Offen: Contributors´und Users´agreements

o Vorbereitung PRACE Second Implementation Project (ab 2012)

• Weiterführung Untersuchungen Finanzierungs- und Betriebsmodelle

• Einbindung Tier1-Systeme

• Integration DEISA, Industrie-Kooperationen (STRATOS)

Gauß-Allianz (1)

o Mit GCS sind Tier 0/1 abgedeckt, aber nicht Tier 2/3

o Tier2 umfasst regional bedeutende und thematisch gewidmete Systeme. Ein Großteil wird über GG 91 b PSL finanziert

Ein koordinierter Zusammenschluss solcher Zentren fehlte.

o Es geht auch nicht nur um HPC-Systeminfrastrukturen, sondern auch um

• HPC-Forschung

• Nutzerunterstützung

• Erschließung neuer Anwendergruppen

• Ausbildungsaspekte

• Berücksichtigung der gesamten Versorgungspyramide

Gauß-Allianz

Gauß-Allianz (2)

o MoU zur Gründung der Gauß-Allianz, unterzeichnet von 12 Institutionen am 18.06.2008 bei ISC in Dresden

o Gründung der Gauß-Allianz e. V. am 03.12.2008 mit Sitz Berlin

• Ordentliche Mitglieder: GCS, RWTH Aachen, TU Darmstadt, TU Dresden, ZIB Berlin, RRZN Hannover, KIT Karlsruhe, RZG Garching, DWD, DKRZ

• Assoziierte Mitglieder: DFN, RRZE Erlangen, Uni Frankfurt, DESY, Heinz-Nixdorf-Institut Paderborn

o Mitwirkung an den BMBF-Calls „HPC-Software für skalierbare Parallelrechner“ 2007/2010

o Gauß-Allianz nimmt im Rahmen EGI Aufgaben der NGI-DE wahr

Fortschreibung HPC-Konzept (1)

o Ausgangspunkt

• „Reuter-Papier“ stammt von 2006

• Seitdem viel verändert: GA, GCS, PRACE, Calls, DGI, EGI, Ende HBFG, NatKo ausgesetzt

o GCS aufgefordert, Gedanken zu einer HPC-Fortschreibung zu machen

• GCS legt Papier dem Projektsteuerkreis PetaGCS vor (10.02.2011)

• Papier wurde verteilt an WR, DFG, Gauß-Allianz, Länderreferenten

• WR-Anhörung am 15.02.2011

o Zur Zeit Diskussionen zum Papier und weiteren Vorgehen

Fortschreibung HPC-Konzept (2)

o Titel: High Performance Computing in Deutschland – Gedanken zur Fortschreibung eines nationalen HPC-Konzeptes

o Gliederung

1. Einordnung des Papiers

2. Stand des nationalen und europäischen Versorgungskonzeptes (Pyramide, GCS, GA, PRACE und Zugang)

3. HPC-Entwicklungen und Herausforderungen der Zukunft (Anwendungssicht, Systemsicht, Datensicht)

4. HPC-Forschung und Kompetenznetzwerke

5. Ausbildung

6. Industrie und Höchstleistungsrechnen

7. Beschaffung, Finanzierung

8. Handlungsempfehlungen

Fortschreibung HPC-Konzept (3) Handlungsempfehlungen

o HPC-Versorgungskonzept längs einer Leistungspyramide

• HPC-Pyramide ist sachgerecht und hat sich bewährt

• Jederzeit in D mindestens ein Spitzensystem. Mitarbeit bei Exascale angeraten

• Notwendigkeit einer funktionierenden Ebene 1 mit Architekturvielfalt

• Notwendigkeit einer flächendeckenden Tier2-Versorgung

• HPC wird vielfältiger:

Computational Steering,

Real-Time Computing,

Data-Intensive Computing

Fortschreibung HPC-Konzept (4) Handlungsempfehlungen

o HPC-Forschung und Ausbildung

• Stärkung der HPC-Methodenwissenschaften

• Stärkung der Tools für HPC-SW-Entwicklung und den HPC-Betrieb

• Anpassung von HPC-Applikationen an neue Architekturen inkl. Skalierung

• Fortsetzung der BMBF-HPC-SW-Calls

• Förderung von HPC-Kompetenzzentren und Simulation-Labs

• Stärkung der HPC-relevanten Ausbildungsangebote

• Verstärkte Kooperationen mit der Industrie

Fortschreibung HPC-Konzept (5) Handlungsempfehlungen

o Organisation und Gremien

• Koordination von Tier0/1 durch GCS hat sich bewährt

• Verstärkte Koordination in Tier2 unter starker Beteiligung der GA erforderlich

• Engere Zusammenarbeit GA und GCS ist angeraten, insbesondere bei Anwenderunterstützung, Lösungsentwicklung, Ausbildung, Öffentlichkeitsarbeit, Beratung

• Organisationsform von GA und GCS angemessen. GA wird ein „Nutzer-Beirat“ empfohlen

Fortschreibung HPC-Konzept (6) Handlungsempfehlungen

o Finanzierungsbedarf

• Zu Ebene 0/1: bisheriges Fördervolumen sollte nachhaltig abgesichert werden

• Zu Ebene 2: Mittel bisher zu knapp, sollten keine Bauten i.e.S. enthalten

• Zur HPC-Forschung: ca. 20 Mio. jährlich

• Länder werden ermutigt, Mittel für Simulation-Labs und Kompetenzzentren bzw. –netzwerke bereitzustellen

Fazit

o Die WR-Empfehlungen von 2004, die BMBF-Initiativen und das Reuter-Papier haben in den letzten Jahren viel bewegt

o Die HPC-Situation in D ist verbessert worden, aber die anderen Länder schlafen nicht

o Die Nachhaltigkeit der Maßnahmen der letzten Jahre ist nicht gesichert

o Deutschland muss in Europa an der Spitze bleiben. HPC bleibt ein wichtiger Wettbewerbsfaktor