Superrechner

Superrechner oder Supercomputer sind Computer, die auf sehr außergewöhnliche Rechenleistung (Performance) optimiert sind. Dieser Aspekt unterscheidet sie grundsätzlich von den Großrechnern, die vor allem durch Zuverlässigkeit punkten. In Fachkreisen definiert man Supercomputer als „Rechnersysteme […], die das nach dem jeweiligen Stand der Technik mögliche Höchstmaß an Leistung auf dem Anwendungsgebiet, für das sie konzipiert sind, erbringen“ (Bode et al. 1990, S. 51).

Beispiel

Der erste Supercomputer wurde 1976 von der Firma Cray installiert. Er hieß CRAY-1 und konnte 130 sogenannte „MegaFLOPS“ (Floatingpoint Operations Per Second) rechnen. Verständlich ausgedrückt war dieser Rechner also in der Lage, pro Sekunde eine Million Additionen oder Multiplikationen (sogenannte Gleitkommaoperationen) auszuführen.

Heute überflügelt ein serienmäßiger PC mit einem modernen Prozessor die Rechenleistung der ersten Superrechner bereits um ein Vielfaches. Intel-, Core- oder Pentium-Prozessoren arbeiten mittlerweile im Gigabyte-Bereich – ihre Leistung wird nicht mehr in MFLOPS, sondern in GFLOPS (GigaFLOPS) gemessen.

Viele Supercomputer arbeiten als Parallelrechner, das heißt, sie verfügen über eine große Anzahl von Prozessoren, die in der Lage sind, komplexe Rechenprozesse gleichzeitig (parallel) abzuarbeiten. Auf diese Weise erzielt ein moderner Superrechner enorm hohe Geschwindigkeiten und Rechenleistung.

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Die Arbeitsweise eines Parallelrechners lässt sich in etwa mit der des menschlichen Gehirns vergleichen, in dem durchschnittlich 100 Milliarden Neuronen (Nervenzellen) gleichzeitig in einem gigantischen Netzwerk zusammenarbeiten. Dass eine ähnliche, parallele Arbeitsweise auch im Bereich der Computer möglich wurde, ist vor allem der Erfindung und Entwicklung der Mikroprozessor-Technologie zu verdanken, die durch höhere Taktfrequenzen und die Integration neuer Speichertechnologien seit Jahren beeindruckende Geschwindigkeitssteigerungen erzielt.

Der Betrieb eines Supercomputers ist aufwendig und teuer. Solche hochkomplexen Anlagen stehen deshalb weltweit nur an ausgewählten Standorten, etwa in speziellen Forschungs- und Hochleistungsrechenzentren oder an Technischen Universitäten.

Typische Einsatzgebiete liegen unter anderem im Fachgebiet der Neurowissenschaft, der Ingenieurs- und Materialwissenschaft, der theoretischen Chemie und Physik (Quanten- und Elementarteilchenphysik oder Astrophysik), der Geowissenschaft (Seismologie) sowie in der Umwelt- und Klimaforschung (Klimamodellierung und -simulation, numerische Wettervorhersage). Weitere Einsatzbereiche sind kommerzielle Anwendungen, etwa im Energiesektor oder in der Medizin.

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Superrechner des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ)

Das DKRZ betreibt an seinem Standort in Hamburg den Superrechner HLRE-3 „Mistral“, der sich in seiner Gesamtheit auf „79 meist tonnenschwere, telefonzellengroße Schränke“ (Deutsches Klimarechenzentrum 2019) erstreckt. Mistral ist ein „Hochleistungsrechnersystem für die Erdsystemforschung“ (ebd.). Alle Komponenten des Rechners sind über schnelle Glasfaserleitungen miteinander verbunden. Die Spitzenrechenleistung beträgt 3,6 PetaFLOPS (3,6¹⁵).

Das DKRZ arbeitet an verschiedenen internationalen Projekten, unter anderem auch an der technischen Weiterentwicklung von Supercomputersystemen. Ein aktuelles Projekt im Zuge der Klimaforschung heißt ESiWACE2. Es widmet sich der Entwicklung der nächsten Generation von Supercomputern (sogenannte „pre-exascale“ und „exascale“ Systeme) und soll es ermöglichen, komplexe globale Klimamodelle zu berechnen und internationale Teams weltweit zu vernetzen.

Wie datenaufwendig das Forschungsgebiet „Wetter“ ist, versteht man am besten, wenn Wetterdaten im Detail betrachtet. Derzeit werden Daten an 3.000 Standorten (Stand 2019) weltweit in Wetterstationen gesammelt und Milliarden von Datensätzen wissenschaftlich ausgewertet, zusammengeführt und für globale Klimamodelle oder lang- bzw. kurzfristige Wetterprognosen genutzt.

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