Computersimulation Bild: Sandia Labs

Stuttgart ist das Mekka deutscher Rechner- experten. Im Hochleistungs- Rechenzentrum der Universität, HLRS, wirbelt der bundesweit schnellste Rechner Bits und Bytes 12, 6 Billionen mal pro Sekunde durch seine Schaltkreise. 5000 fach schneller als ein moderner PC.

Von Jan Oliver Löfken

Crashtests, Erdbeben, Klimamodelle oder die Analyse des menschliches Genoms: Weltweit setzen Forscher immer mehr auf die Rechenleistung von Supercomputern, um Natur und Technik zu simulieren. Und damit besser zu verstehen.

"Die Verfügbarkeit von Höchstleistungsrechnern hat sich zu einem entscheidenden Standortfaktor entwickelt", sagt Michael Resch, der Herr über Deutschlands größtes Elektronengehirn, das am 21. Juli 2005 in Gegenwart der Bundesforschungsministerin Edelgard Bulmahn eingeweiht wurde. Erst vor wenigen Wochen bezog Reschs Team das neue Rechenzentrum aus Stahl und Glas. Vom gut gekühlten Rechnerraum führen Gänge, in einem gewöhnungsbedürftigen Farbenmisch aus rosa, grau und gold gehalten, zu den modernen Büros mit den Kontrollmonitoren. Insgesamt 57 Millionen Euro ließen sich Bund, Land und Industrie dieses Vorzeigeprojekt kosten. 576 Prozessoren bilden das Herz dieses so genannten Vektorrechners des japanischen Elektronikkonzerns NEC, der speziell auf die Anforderungen der Ingenieurswissenschaften zugeschneidert ist.

"Deutschland hat jetzt wieder in der neuen Top-500 Liste mit 40 Supercomputern die meisten Systeme in Europa installiert", weiß Hans Werner Meuer, Professor an der Universität Mannheim. Erst vor wenigen Wochen stellte er die aktuelle Rangliste der schnellsten Rechenmonster auf der Supercomputerkonferenz in Heidelberg vor. Auch der Stuttgarter Spitzenrechner findet sich bereits auf dieser Liste: auf Platz 27. Damit sichern sich hiesige Nanoforscher, Genom-Wissenschaftler und Autokonstrukteure eine gute Position, um im internationalen Wettbewerb des Wissens mitzuhalten.

Denn neben den grundlagenden Disziplinen der Forschung - Theorie und Experiment - etabliert sich zunehmend ein dritter Ansatz: die Simulation. Ohne aufwändige Messreihen und teure Prototypen imitieren die Riesenrechner Crash-Tests, Strömungen um Flugzeugflügel und Turbinenblätter, Elektronenbewegungen in neuen Quantenmaterialien oder chemische und biologische Reaktionen auf molekularer Ebene. Diese Daten weisen den Wissenschaftlern vieler Fachbereiche den Weg, in welche Richtung die weiteren, zeitintensiven Experimente zum Erfolg führen könnten. Supercomputing ist längst keine Domäne der Klima- und Erdbebenforschung mehr.

weltweit schnellste Vektor-Supercomputer NEC FX-8

"Der Anteil der Industrie an der Auslastung unseres Rechners könnte bei etwa fünf Prozent liegen"; sagt Resch. Der Löwenanteil der Simulationen wird weiterhin von Universitätsforschern in erster Linie aus Baden-Württemberg aber auch aus ganz Deutschland gefahren. Zu den bisherigen Nutzern zählen Aerodynamiker, Physiker und Materialforscher aus Stuttgart, Aachen, Erlangen oder Mainz. Um die Leistung des NEC-Rechners optimal zu nutzen, setzen sich Wissenschaftler und die Rechnerexperten aus Reschs Team vorher zusammen. Denn um eine Simulation in wenigen Stunden abzuschließen, muss der Computer auch richtig mit den Problemen gefüttert werden. Resch zieht dazu gerne den Vergleich mit einem Formel-1-Boliden heran. "Ein ungeübter Nutzer bleibt immer im ersten Gang."

Durch ihre Mitfinanzierung haben sich die Autohersteller DaimlerChrysler und Porsche bereits einen Zugriff auf die Rechenleistung des HLRS gesichert. Doch auch andere Industrieforscher sollen hier ihre Simulationen laufen lassen können. Gegen Bezahlung. Verwaltet wird dieser Zugang von der offiziellen Betreiberfirma des Rechners, der HWW Betriebs-GmbH, getragen von Öffentlicher Hand und Industrie. Anträge laufen dann über den Mitträger T-Systems. Die Kosten schätzt Resch mit rund 3000 Euro pro Stunde ab.

Immer mehr Firmen, allen voran Banken und Autohersteller, erkennen das Potenzial von Supercomputern. Mit über drei Billionen Flops - so genannten Teraflops - eines IBM-Rechners verfügt die Adam Opel AG über den schnellsten reinen Industrierechner Deutschlands. Doch auch DaimlerChrysler, Bosch, Airbus, AMD und MTU sind mit kleineren Systemen unter den Top 500 vertreten.

Weniger auf die Ingenieure, dafür mehr auf die Naturwissenschaftler setzt dagegen Thomas Lippert, Leiter des Zentralinstituts für Angewandte Mathematik (ZAM) am Forschungszentrum Jülich. Mit dem Aufbau eines IBM "Blue Gene Solution" Rechners (4,7 Teraflops) just dieses Wochenende und einem IBM-Computer der "P690-Serie" (5,6 Teraflops) verfügt er sogar über zwei Maschinen. "Die Hälfte unserer Kapazitäten nutzen Universitätsforscher beispielsweise aus der Materialforschung und den Nanowissenschaften", sagt Lippert.

Dazu kommen Elementarteilchenphysiker oder Molekularbiologen aus den Großforschungseinrichtungen der Helmholtz-Gemeinschaft. Gerade für biologische Fragestellungen wie der Faltung komplexer Proteine oder die Funktionen einzelner Erbgutsequenzen gewinnt Supercomputing an Bedeutung. "Und derzeit entsteht auch ein Projekt an der Technischen Hochschule Aachen, um zukünftige Quantencomputer zu simulieren", gibt Lippert ein Beispiel für die Rechnerunterstützung von Grundlagenforschung.

Zu der Spitzengruppe der Jülicher und Stuttgarter wird nächstes Jahr das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in München aufschließen. Und diese Maschinen mit 33 Billionen Rechenoperationen eines Systems der US-Firma Silicon Graphics (sgi) sogar überrunden. Eingesetzt wird der neue Rechner über das ganze Spektrum von Simulationen komplexer Systeme und Prozesse, von der Physik, Materialforschung, Strömungsdynamik, über Astrophysik und Chemie bis zu den Geo- und Biowissenschaften.
"Und Deutschland sollte mehr in Supercomputer investieren", ist der Mannheimer Experte Meuer überzeugt. Man müsse sich insbesondere überlegen, ob man mittel-und langfristig ohne eine eigene Supercomputer-Industrie auskomme.

Denn die Produktion der Rechenriesen findet schon seit vielen Jahren zu 90 Prozent unter der Marktführerschaft von IBM in den USA statt. Japans Anteil (NEC, Hitachi) sank laut Meuer auf nur noch fünf Prozent. Doch geschlagen geben sich die Asiaten, die mit dem Earth Simulator in Yokohama (35, 8 Teraflops) zwei Jahre lang die Top500 anführten, nicht. So plant die Regierung in Tokio bis 2011 als erste die magische Petaflop-Mauer mit 1000 Billionen Rechenschritten pro Sekunde zu durchbrechen. Und wollen damit den derzeitigen Weltrekordhalter, "Blue Gene/L" von IBM am amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory (135.3 Teraflops) wieder vom Supercomputerthron stoßen.

Im Internet:

	Hochleistungs- Rechenzentrum (HLRS) in Stuttgart
	Mehr über den Computer NEC FX-8 (engl)