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Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer-Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum1 Höchstleistungsrechnen.

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Präsentation zum Thema: "Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer-Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum1 Höchstleistungsrechnen."—  Präsentation transkript:

1 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer-Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum1 Höchstleistungsrechnen für die Wissenschaft – die Aufgaben der Supercomputer des ZIB Detlef Reichardt Fachberater für Chemie Computer Science / Abt. Höchstleistungsrechner

2 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum2 Überblick Scientific Supercomputing – was ist das? Warum braucht man Höchstleistungsrechner? Anforderungen ein paar Grundbegriffe: Vektorrechner, Parallelrechner... Rechnerausstattung, Supercomputer im Verbund Supercomputing als Dienstleistung: Großprojekte, Fachberatung, Forschung Beispiel: Quantenchemische Simulation großer Moleküle Grundidee RNA-Fragment MetaComputing

3 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum3 Warum braucht man Höchstleistungsrechner? unerläßliche und teilweise einzig vertretbare Hilfsmittel zur Problemlösung in Grundlagen- und anwendungsbezogener Forschung und Entwicklung Kern- und Vielteilchenphysik, Klimaforschung, Kosmologie chemische/pharmazeutische Industrie, Maschinenbau, Fahrzeugbau, Flugzeugbau Simulation statt Experiment extreme Dimensionen (Mikro/Makrokosmos), unterschiedliche Zeitskalen gefährliche Stoffe (giftig, explosiv) Kosteneinsparungen (Crashtests) tiefere Einsichten in komplexe Zusammenhänge Komplexe Probleme an vorderster Forschungsfront jeweils leistungsfähigste Algorithmen auf den jeweils leistungsfähigsten Computern ( = Supercomputer)

4 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum4 Supercomputing –was ist das? stellt höchste Anforderungen an Kapazität und Quantität Rechenzeitbedarf Massenspeicherbedarf langfristige Datensicherung Bandbreite der Datenübertragung (Speicherzugriffe, Input/Output, Netz) Fähigkeit und Qualität technisches Know-How Algorithmen Methoden (numerisch, Visualisierung) Menschen

5 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum5 Ein paar Grundbegriffe... Einzel-Prozessor-System PeripherieMemory Bus Prozessor PE B M P

6 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum6 Ein paar Grundbegriffe... Mehr-Prozessor-System: Shared Memory Computer PE Prozessor B Bus M Global Memory

7 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum7 Ein paar Grundbegriffe... Mehr-Prozessor-System: Distributed Memory Computer M PE M M MMM MM Kommunikations-Netzwerk

8 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum8 Vektorrechner Leistungsfähigste Einzel-CPUs am Markt, spezialisierte Hardware ( $/CPU) Prinzip: Pipeling (Fließband) Chaining (Verkettung)Schleifen: Verarbeitung von (aufeinanderfolgenden) Elementen von Feldern A i = B i + C * D i i = 1,N Vektorbefehl: ein Befehl für viele gleichartige Operationen

9 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum9 (Massiv) Parallelrechner Mögliche Leistungserhöhung einzelner Prozessoren ist begrenzt (nicht zuletzt aus Kostengründen) heute meist Verwendung von RISC-ProzessorenAmeisen-Prinzip Verteilung der Last (Daten) und Arbeit (Anweisungen) auf mehrere/viele Prozessoren Datenaustausch zwischen den Prozessoren (update der Zwischenergebnisse) während der Rechnung notwendig Erfordert besonderes Vorgehen: parallelisierte Methoden und Algorithmen Programmiermodelle: z.B. Message Passing

10 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum10 ZIB Höchstleistungsrechner

11 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum11 CRAY J932/16 16 CPUs CRAY J90, 100 MHz 8 GB shared memory Betriebssystem: UNICOS Compiler: Fortran90, C, C++ Autotasking Message Passing Libraries: MPI, PVM CRAY Shared Memory Access Library Theoretical peak performance: 3.2 GFLOPS

12 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum12 CRAY T3E 408 DEC Alpha EV5.6, 450/600 MHz Internes Netzwerk: 3D Torus 70 GB distributed memory ~ 630 GB HD Betriebssystem: UNICOS/mk Compiler: Fortran 90, C, C++, HPF Message Passing Libraries:MPI, PVM CRAY Shared Memory Access Library Theoretical peak performance: ~ 400 GFLOPS

13 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum13 Supercomputing als Dienstleistung Betrieb von Höchstleistungsrechnern für Hochschulen und wissenschaftliche Einrichtungen des Landes Berlin und andere (norddeutsche) Bundesländer Industrie und andere Bereiche über Kooperation Rechenzeit für Großprojekte über Zulassungsausschuß Fachberater des ZIB als Mit-Arbeiter Forschungsprojekte auf den verschiedenen Fachgebieten und in Computer Science, z.B. MetaComputing

14 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum14 Historie

15 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum15 Großprojekte Chemie Molekulardynamiksimulationen Strukturforschung Klima- und Umweltwissenschaften Klimaforschung Meeresforschung Ingenieurwissenschaften Strömungsmechanik Festigkeitsmechanik Physik Astrophysik Elementarteilchenphysik Rechenzeitkontingente auf CRAY T3E tgl. 400 CPU*24h = 9600 CPU*h Monat: CPU*h typische Projektgröße: 8000 CPU*h/Monat

16 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum16 Fachberater im ZIB aktiver Wissenschaftler im Fachgebiet (Chemie, Umweltwissenschaften, Ingenieurwissenschaften, Physik, Visualisierung) enger Kontakt mit Projekten Ansprechpartner für Probleme (Mädchen für Alles) Unterstützung der Projekte bei Rechnerauswahl Programmier- und Systemproblemen Diskussion der Modelle, Algorithmen und Software Programmentwicklung, -portierung und –optimierung Anwendungssoftware: Auswahl, Installation, Pflege und Dokumentation

17 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum17 Supercomputing im Verbund Norddeutscher Vektorrechnerverbund (NVV) Berlin, Niedersachsen, Schleswig-Holstein wechselseitige Beschaffung und gemeinsame Nutzung von Höchstleistungsrechnern, vertraglich geregelt ZIB stellt Rechner als Berliner Beitrag zur Verfügung, Zugang zu den anderen NVV-Supercomputern national und international: Verbesserung der Rechnernetze (Datenautobahnen) Erschließung der nächsten Supercomputergeneration

18 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum18 BRAIN + Berlin Research Area Information Network – das Berliner Wissenschaftsnetz

19 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum19 Grundideen Atome charakterisiert durch Sätze von Gaußschen Basisfunktionen (atomare Orbitale) (ab initio = keine experimentell angepaßten Parameter, explizite Berechnung aller auftretenden Integrale) Berechnung der molekularen Wellenfunktion (der molekularen Orbitale) als lineare Kombination atomarer Orbitale Koeffizienten gehen in Berechnung molekularer Eigenschaften ein Berechnung der Gesamtenergie eines Moleküls (Hartree-Fock and DFT) Einlesen der atomaren Koordinaten, Konstruktion der Atomorbitale Berechnung der Kern-Kern-Abstoßung Berechnung verschiedener Integrale über atomare Orbitale (z.B. Elektron-Elektron- Abstoßung) Überlappungsmatrix zwischen Orbitalen Konstruktion der Fock-Matrix (auch abhängig von den Koeffizienten!) Lösung des Eigenwertproblems durch Diagonalisierung von Test auf Konvergenz Ab initio quantenchemische Simulationen Selbstkonsistenz- zyklus

20 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum20 Ab initio quantenchemische Simulationen Strukturoptimierung Gesamtenergie Atomare Kräfte (Gradienten) Minimierung der Gesamtenergie durch iterative Verfahren Rechentechnische Aspekte Rechenaufwand ist bestimmt durch N und den Typ der Basisfunktionen Rechenzeit per Prozessor ~N 2 … N 4 abhängig vom jeweiligen Berechnungsschritt Konvergenzbeschleunigungstechniken (z.B. Vordiagonalisierung mit verschiedenen Matrixdimensionen) DFT (Dichtefunktionaltheorie) im Vergleich mit klassischen Hartree-Fock-Rechnungen: Bessere Vergleichbarkeit mit Experiment (näherungsweise Behandlung der Elektronenkorrelation) Teilweise andere Integraltypen (spezialisierte numerische Integrationsverfahren notwendig) Höherer Aufwand (CPU Last und Memory) Programmtechnische Aspekte 500 k Zeilen Quellcode (F77) + Programmbibliotheken (F77, K&R C, ANSI C)

21 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum21 RNA-Fragment Sequenz von drei Aminosäuren 200 Atome 1291 Basisfunktionen

22 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum # PEs (450 MHz, 600 MHz) wall clock [s] gamess RNA-Fragment, sv 6-31G, SCF 1291 basis functions, 200 atoms 1291 basis functions, 200 atoms Calculation time (SCF + gradient)

23 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum23 MetaComputing im Gigabit Testbed (Topologie) CRAY ZIB MünchenErlangenBerlin CRAY RZG LRZTUBZIB RZG 650 km 700 km HIPPI 800, 800 Mb/s ATM OC12, 622 Mb/s OC48, 3 x 2.4 Gb/s ATM Switch

24 Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Computer Science / Rechenzentrum 26/09/2000ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum24 Morphine (DFT) # PEs, 300 MHz (450 MHz) T3E wall clock [s] Morphine, 6-31G(d,p), BLYP 410 basis functions Calculation time (SCF + gradient) gamess-mpi gamess-pacx


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