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International Supercomputing Conference Warmwassergekühlter „SuperMUC“ ist Europas schnellster Supercomputer

Redakteur: Holger Heller

In der aktuellen Top-500-Liste, die im Rahmen der International Supercomputing Conference in Hamburg veröffentlicht wurde, ist SuperMUC der neue leistungsfähigste Supercomputer Europas und der viertschnellste weltweit. Welche Technik steckt dahinter?

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SuperMUC wurde von IBM für das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften entwickelt. Das System erreicht eine Spitzenleistung von 3 PetaFLOPS. Dies entspricht 3 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde (1015). Trotzdem verbraucht es rund 40% weniger Strom als ein vergleichbares luftgekühltes System. Möglich wird dies durch eine Warmwasserkühlung. Der Grundstein für diese Entwicklung wurde von Forschern bei IBM Research (Zürich) gelegt, unterstützt durch das deutsche IBM Entwicklungszentrum in Böblingen.

SuperMUC ist ein IBM System x iDataPlex Direct Water Cooled dx360 M4 Cluster. Er verfügt über insgesamt etwa 150.000 Rechenkerne. Die Rechenleistung von 3 PetaFLOPS entspricht der Leistung von mehr als 110.000 PCs. Die Wasserkühlung senkt den Gesamtenergieverbrauch des Rechners um 40% und die entstehende Abwärme wird direkt für die Gebäudeheizung genutzt.

„Seit diesem Jahr müssen staatlich finanzierte Institutionen in ganz Deutschland ihren Strom aus 100% erneuerbaren Energiequellen beziehen“, erklärte Prof. Dr. Arndt Bode, Vorsitzender des Direktoriums des LRZ. „SuperMUC wird uns dabei helfen, unsere Verpflichtung einzuhalten, während wir der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein Hochleistungssystem zur Verfügung stellen können, um Theorien, Designexperimente und Ergebnisvorhersagen zu testen“.

Wasserkühlung senkt den Energiebedarf

Heute entfällt bis zu 50% des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen eines durchschnittlichen luftgekühlten Rechenzentrums auf den Betrieb der notwendigen Kühlsysteme, die die Server vor Überhitzung schützen. Um diesen Verbrauch nachhaltig zu reduzieren, haben IBM Forscher in Zürich neuartige Wasserkühlsysteme für Computer erforscht. Wasser leitet Wärme rund 4000-mal besser als Luft.

Die Kühlkonzepte der IBM-Forscher sind vom energetisch effizienten menschlichen Blutkreislauf inspiriert: Ein Kühlnetzwerk mit Mikrokanalkühlern führt die Wärme direkt dort ab, wo sie entsteht: am Chip. So kann der neue Computer mit über 40 °C warmem Wasser gekühlt werden und liefert gleichzeitig Abwärme, die direkt für die Gebäudeheizung genutzt werden kann. Das wirkt sich auch auf die Betriebskosten aus: SuperMUC wird zu Einsparungen von rund 1 Mio. € pro Jahr führen.

Das Potenzial der Wasserkühltechnologien für die Forschung ist mit SuperMUC allerdings bei weitem noch nicht erschöpft. Dr. Bruno Michel, Manager Advanced Thermal Packaging bei IBM Research Zürich und einer der Erfinder des SuperMUC-Kühlkonzepts, erklärte dazu: „Unser Plan ist es, mittelfristig die Kühlstrukturen direkt auf die Rückseite der Prozessoren zu integrieren, um aufeinandergestapelte 3D-Chips zu kühlen. Damit können wir den Weg für massive Verkleinerungen und Leistungssteigerungen bahnen: Der SuperMUC von heute könnte so langfristig auf die Größe eines PCs schrumpfen.“

Die SuperMUC-Architektur

SuperMUC verfügt über mehr als 330 TByte Hauptspeicher für die zu verarbeitenden Daten, die über ein nicht-blockierendes InfiniBand-Netzwerk mit Fat-Tree-Topologie kommuniziert werden können. Darüber hinaus können bis zu 10 Petabyte Daten in einem parallelen GPFS-Dateisystem von IBM zwischengespeichert werden.

Für die dauerhafte Speicherung der Benutzerdaten wie Programmquellen, Eingabedatensätze usw. steht ein Network Attached Storage (NAS) System von NetApp mit einer Kapazität von 4 Petabyte zur Verfügung, das sich durch hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Zusätzlich stehen für die langfristige Archivierung von Daten des SuperMUC 16,5 Petabyte Speicherkapazität auf Bandsystemen zur Verfügung.

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