Höchstleistungsrechnen für die Wissenschaft – die Aufgaben der Supercomputer des ZIB Detlef Reichardt Fachberater für Chemie Computer Science / Abt. Höchstleistungsrechner ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 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 ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

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) ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

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 ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

Ein paar Grundbegriffe ... Einzel-Prozessor-System M P Memory Peripherie Bus B PE Prozessor ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

Ein paar Grundbegriffe ... Mehr-Prozessor-System: Shared Memory Computer Global Memory M B Bus PE PE PE PE Prozessor Prozessor Prozessor Prozessor ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

Ein paar Grundbegriffe ... Mehr-Prozessor-System: Distributed Memory Computer PE M PE M PE M PE M Kommunikations-Netzwerk PE PE PE PE M M M M ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum Vektorrechner Leistungsfähigste Einzel-CPUs am Markt, spezialisierte Hardware (105-106 $/CPU) Prinzip: Pipeling (Fließband) Chaining (Verkettung) Schleifen: Verarbeitung von (aufeinanderfolgenden) Elementen von Feldern Ai = Bi + C * Di i = 1,N Vektorbefehl: ein Befehl für viele gleichartige Operationen ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

(Massiv) Parallelrechner Mögliche Leistungserhöhung einzelner Prozessoren ist begrenzt (nicht zuletzt aus Kostengründen) heute meist Verwendung von RISC-Prozessoren Ameisen-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 ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB Höchstleistungsrechner ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 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 ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 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 ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

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 ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum Historie ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 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: 288000 CPU*h typische Projektgröße: 8000 CPU*h/Monat ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 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 ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

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 ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum BRAIN+ Berlin Research Area Information Network – das Berliner Wissenschaftsnetz ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

Ab initio quantenchemische Simulationen 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 Selbstkonsistenz- zyklus ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

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 ~N2 … N4 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) ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum RNA-Fragment Sequenz von drei Aminosäuren 200 Atome 1291 Basisfunktionen ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum Calculation time (SCF + gradient) 4000 3800 3600 3400 wall clock [s] 3200 RNA-Fragment, sv 6-31G, SCF 1291 basis functions, 200 atoms 3000 2800 gamess 2600 192 256 320 384 # PEs (450 MHz, 600 MHz) ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

MetaComputing im Gigabit Testbed (Topologie) HIPPI 800, 800 Mb/s ATM OC12, 622 Mb/s OC48, 3 x 2.4 Gb/s ATM Switch 650 km RZG LRZ München Erlangen Berlin TUB ZIB CRAY T3E/404 @ ZIB 700 km CRAY T3E/816 @ RZG ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000

ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum Morphine (DFT) Calculation time (SCF + gradient) 5000 4500 4000 3500 3000 wall clock [s] 2500 gamess-mpi gamess-pacx 2000 1500 1000 500 Morphine, 6-31G(d,p), BLYP 410 basis functions 32 64 96 128 # PEs, 300 MHz (450 MHz) T3E ZIB-Besuch Mathematik-Leistungskurs Hildegardis-Schule Bochum 26/09/2000