Fortschreibung eines nat Fortschreibung eines nat. HPC-Konzeptes Die Rollen von PRACE, GCS und Gauß-Allianz Prof. Dr. Heinz-Gerd Hegering Vorstandsvorsitzender Gauss Centre for Supercomputing e. V. Vorstand Gauß-Allianz 19. Mai 2011

Gliederung Einleitung HPC-Situation in Deutschland: Rückblick Gauss Centre for Supercomputing (GCS) e. V. GCS und PRACE Gauß-Allianz Fortschreibung nationales HPC-Konzept

Bedeutung von High Performance Computing (HPC) Modellierung und Simulation stellen Wettbewerbsfaktor dar für die Weiterentwicklung der Wissenschaften für die Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen Simulationen ergänzen Theorie und Experiment in Wissenschaft und Technik schneller billiger umweltschonend manchmal der einzige Weg Wissenschaftliches Rechnen und HPC müssen als zusätzliche Methodik des Erkenntnisgewinns auf der Basis eines nationalen Versorgungskonzeptes gefördert werden (Sicherung des Standortvorteils)

Beispiel-Anwendungen Strömungsdynamik: Optimierung von Turbinen, Tragflächenoptimierung, Lärmreduktion, Klimatisierung in Zügen Fusionsforschung: Plasma in künftigen Fusionsreaktoren (ITER) Astrophysik: Entstehung und Entwicklung von Sternen und Galaxien Festkörperphysik: Supraleitung, Oberflächeneigenschaften Geophysik: Erdbebenszenarien Materialwissenschaften: Halbleiter Chemie: Katalysatorreaktionen Medizin und Medizintechnik: Blutströmungen, Aneurysmen, Klimatisierung in Operationssälen Biowissenschaften: Viruseigenschaften, Genom-Analyse Klimatologie: Ozeanströmungen

Begriffe Wiss. Rechnen: Entwicklung und Einsatz von math. und statistischen Modellen und Verfahren unter Nutzung von Rechnern Hoch-/Höchstleistungsrechnen (HPC): falls für wiss. Rechnen Systeme niedriger Leistungsstufen (in Bezug auf Prozessor-architektur/-leistung, Prozessoranzahl, Speichergröße/Zugriffs-charakteristik) nicht ausreichen HPC Capacity Computing: Ziel ist Durchsatzmaximierung vieler Programmläufe mit jeweils beschränkten Ressourcenanforderungen HPC Capability Computing: Durchführung einzelner, sehr umfangreicher Simulationsprogramme mit Bedarf an sehr hoher Prozessorleistung, hoher Speicherbandbreite und sehr gutem Internnetz

WR-Aussagen zum HPC in Deutschland 1995 Empfehlung zur Versorgung von W&F mit Höchstleistungsrechenkapazität 1999 Stellungnahme zur Einrichtung von Zentren für Höchstleistungsrechnen 2000 Empfehlung zur zukünftigen Nutzung von Höchstleistungsrechnern Aussagen: - Höchstleistungsrechenzentren an der Spitze der Versorgungspyramide - Beschaffungsspirale - Schaffung eines nationalen Koordinierungsausschusses ( 2001- 2007 tätig) - Forderung nach HPC-Kompetenznetzwerken - Forderung nach einschlägigen Studiengängen - Absage an eine nachfrageorientierte Steuerung der HLR-Nutzung durch Gebühren - Nutzungszugang aufgrund wissenschaftlicher Beurteilung 2004 Empfehlung zur Einrichtung europäischer Höchstleistungsrechner - Ziel: Konkurrenzsituation zu USA und Japan verbessern - Konzepte: Versorgungspyramide und Beschaffungsspirale übernehmen

HPC-Versorgungspyramide Gauss Centre for Supercomputing (GCS) e. V. (Garching, Stuttgart, Jülich) ca. 10 ca. 100 Europäische Höchstleistungsrechenzentren (Tier0) Nationale Höchstleistungsrechenzentren (Tier1) 3 Thematische HPC-Zentren, Zentren mit regionalen Auf- gaben (Tier2) Aachen, Berlin, DKRZ, Dresden, DWD, Karlsruhe, Hannover, MPG/RZG, udgl. HPC-Server (Tier3) Hochschule/ Institut

Auf dem Weg zu einem nationalen HPC-Konzept (1) Ab 2001 Nationaler Koordinierungsausschuss August 2005 Studie: Petaflops-Computing mit Standort Deutschland im europäischen Forschungsraum (Scientific Case im Auftrag des BMBF) Mai 2006 Gemeinsame Arbeitsgruppe Bayern/Baden-Württemberg: „Konzept für Einrichtung und Betrieb eines Deutsch-Europäischen Zentrums für Höchstleistungsrechnen“ 13. Juli 2006 Pressemitteilung BMBF zum geplanten Verbund der drei Höchstleistungsrechenzentren Juni/Sept. 2006 „Reuter-Kommission“: Studie „HPC in Deutschland – Argumente zur Gründung einer strategischen Allianz“ ab Juli 2006 Arbeiten zur Gründung des Gauss Centre for Supercomputing (s.u.)

Auf dem Weg zu einem nationalen HPC-Konzept (2) 13.04.2007 Gründung des GCS e. V. mit Sitz in Berlin 16.04.2007 European MoU PRACE und FP7-Proposal 09.11.2007 der „NatKo“ des WR wird ausgesetzt 16.07.2008 MoU zur Gründung der Gauß-Allianz 16.09.2008 Verwaltungsabkommen zu GCS zwischen BMBF, BW, BY,NRW Nov. 2008 Vorhabensantrag PetaGCS 03.12.2008 Vereinsgründung Gauß-Allianz e. V. mit Sitz Berlin 09.12.2008 Genehmigung Projekt PetaGCS 09.06.2010 Gründung PRACE AISBL 10.02.2011 GCS legt Entwurf zur Fortschreibung d. „Reuter-Papiers“ vor 15.02.2011 Anhörung des Wissenschaftsrates zur Situation des HPC in Deutschland und zur Wiederbelebung des „NatKo“

Ziele und Aufgaben des GCS Nachhaltige Versorgung der computergestützten Wissenschaften in Deutschland und Europa mit HPC-Rechenkapazität der obersten Leistungsklasse Förderung von Wissenschaft und Forschung durch Gewinnung von neuen technischen Erkenntnissen und Erfahrungen auf dem Gebiet des wissenschaftlichen Supercomputing, insbesondere durch Bündelung der Supercomputer-Ressourcen in den Bereichen Höchstleistungsrechnen und Capability Computing im nationalen, aber auch im europäischen Rahmen. Koordination der drei nationalen HPC-Zentren. Dies betrifft die Interoperabilität zwischen den Zentren, die Evaluierung und bedarfsgerechte Abstimmung von Rechnerarchitekturen und deren Beschaffungen. Es bedeutet auch die Festlegung einer gemeinsamen Nutzungs- und Zugangspolitik. Engste Kooperation mit der Gauß-Allianz, die die regionale und themenbezogene HPC-Versorgungsebene in Deutschland umfasst.

Gauß-Zentrum für Supercomputing - Ziele - Ziele nach „außen“ Stärkung der nationalen Handlungsfähigkeit Europäische Führerschaft Höchstleistungsrechnen als Schlüsseltechnologie auf höchstem Niveau für Wissenschaft und Wirtschaft zugänglich machen Vorsprung von USA und Japan ausgleichen Führende Beteiligung an PRACE Ziele nach „innen“ Erarbeitung eines Betriebs- und Organisationsmodells für GCS Vorbereitung eines gemeinsamen Finanzierungsmodells Bund/Länder Abstimmung im Kontext PRACE Koordinierte Beschaffungsplanung Koordinierung der Infrastrukturen Koordinierung von Nutzungszugang und Nutzersupport Koordinierung von Entwicklungsaktivitäten Aktives Mitwirken bei der Gründung einer deutschen HPC-Allianz

Struktur der Förderung BMBF BY NRW BW Verwaltungsvereinbarung Projektsteuerungskreis 50% Fehlbedarfs- finanzierung Jeweils 1/6 der Gesamtfinanzierung GCS LRZ JSC HLRS Kooperationsvertrag der Forschungspartner

PetaGCS (Phase 1) (Phase 2) GCS Projektphasen (Phase 3) 2008 2014 2016 2018ff Aufbau der Organisation Einrichtung Geschäftsstelle Beschaffung von Höchstleistungsrechnern Einrichtung von Arbeitsgruppen Implementierung von Prozessen Ausbau der Infrastruktur und Services Aufstockung der Systeme Beschaffungszyklus (jedes Jahr ein neues Höchstleistungssystem) Nachhaltiger Betrieb und Finanzierung Entwicklunsgziele: Service Orientierung , Exascale Capability

GCS-Systeme (für Tier0/1) @ Jülich: „JUGENE“ IBM Blue Gene / P auf Basis IBM Power PC 450, 294912 Cores in 72 Racks Erstes 1 Petaflop-System in Europa, Installation Juli 2009, 1. Lieferstufe Bisher 5 GCS-Calls @ Garching: „SuperMUC“ System von IBM auf Basis Intel-Prozessoren. Ca. 150.000 Cores, IB-FDR, 3 Petaflops, < 4 MW, PUE < 1,1 Integrationssystem Q3/2011, Gesamtsystem bis 01/2012# @ Stuttgart: „HERMIT“ System von Cray auf Basis AMD-Prozessoren und Akzeleratoren 1. Stufe Q3/2011, 2. Stufe ab Q2/2013 (4 Petaflops)

GCS und PRACE (1) PRACE: Partnership for Advanced Computing in Europe Ziel: Aufbau eines europäischen HPC-Ökosystems Auslöser: FP7-Call (2007), Projekt Proposal 17.04.2007 PRACE Consortium: 15 Länder, Principal Partners D, F, GB, E, NL Deutschland vertreten durch GCS GCS ist Principal Partner und Projektkoordinator (Jülich) Preparatory Phase ab 01.01.2008 – 2010 (20 Mio. Euro) Untersuchungen von organisatorischen, rechtlichen und technischen Alternativen und Voraussetzungen zur Schaffung und zum Betrieb einer europäischen HPC-Infrastruktur

GCS und PRACE (2) Aufgaben der Preparatory Phase (01/2008-06/2010) Untersuchung von Rechtsformen und Satzungen sowie von Governance-Strukturen für EU-Ebene Untersuchung zu Finanzierungs- und Betriebsmodellen Sammlung von Anwendungsanforderungen, Portierung und Skalierung ausgewählter Applikationen Entwicklung eines Peer-Review-Prozesses Untersuchung von Architekturen und Herstellern von Petaflop/s-Systemen. Sichtung geeigneter Prototypen und Herstellerkooperationen

GCS und PRACE (3) PRACE First Implementation Project (07/2010 – 06/2012) Weiterführung und Umsetzungsplanung der Preparatory Phase Vorbereitung der Gründung einer PRACE Legal Entity (Satzung, Ortswahl, etc.) Gründung PRACE AISBL in Brüssel am 9.6.2010 20 Gründungsmitglieder, davon als Hosting Partner D, E, F, I Organe sind Council, Director / BoD Unterstützend: Scientific Steering Committee, Access Committee Hosting Partners „zahlen“ Cycles im Wert von 100 Mio. € / 5 Jahre Offen: Contributors´und Users´agreements Vorbereitung PRACE Second Implementation Project (ab 2012) Weiterführung Untersuchungen Finanzierungs- und Betriebsmodelle Einbindung Tier1-Systeme Integration DEISA, Industrie-Kooperationen (STRATOS)

Gauß-Allianz (1) Gauß-Allianz Mit GCS sind Tier 0/1 abgedeckt, aber nicht Tier 2/3 Tier2 umfasst regional bedeutende und thematisch gewidmete Systeme. Ein Großteil wird über GG 91 b PSL finanziert Ein koordinierter Zusammenschluss solcher Zentren fehlte. Es geht auch nicht nur um HPC-Systeminfrastrukturen, sondern auch um HPC-Forschung Nutzerunterstützung Erschließung neuer Anwendergruppen Ausbildungsaspekte Berücksichtigung der gesamten Versorgungspyramide Gauß-Allianz

Gauß-Allianz (2) MoU zur Gründung der Gauß-Allianz, unterzeichnet von 12 Institutionen am 18.06.2008 bei ISC in Dresden Gründung der Gauß-Allianz e. V. am 03.12.2008 mit Sitz Berlin Ordentliche Mitglieder: GCS, RWTH Aachen, TU Darmstadt, TU Dresden, ZIB Berlin, RRZN Hannover, KIT Karlsruhe, RZG Garching, DWD, DKRZ Assoziierte Mitglieder: DFN, RRZE Erlangen, Uni Frankfurt, DESY, Heinz- Nixdorf-Institut Paderborn Mitwirkung an den BMBF-Calls „HPC-Software für skalierbare Parallelrechner“ 2007/2010 Gauß-Allianz nimmt im Rahmen EGI Aufgaben der NGI-DE wahr

Fortschreibung HPC-Konzept (1) Ausgangspunkt „Reuter-Papier“ stammt von 2006 Seitdem viel verändert: GA, GCS, PRACE, Calls, DGI, EGI, Ende HBFG, NatKo ausgesetzt GCS aufgefordert, Gedanken zu einer HPC-Fortschreibung zu machen GCS legt Papier dem Projektsteuerkreis PetaGCS vor (10.02.2011) Papier wurde verteilt an WR, DFG, Gauß-Allianz, Länderreferenten WR-Anhörung am 15.02.2011 Zur Zeit Diskussionen zum Papier und weiteren Vorgehen

Fortschreibung HPC-Konzept (2) Titel: High Performance Computing in Deutschland – Gedanken zur Fortschreibung eines nationalen HPC-Konzeptes Gliederung Einordnung des Papiers Stand des nationalen und europäischen Versorgungskonzeptes (Pyramide, GCS, GA, PRACE und Zugang) HPC-Entwicklungen und Herausforderungen der Zukunft (Anwendungssicht, Systemsicht, Datensicht) HPC-Forschung und Kompetenznetzwerke Ausbildung Industrie und Höchstleistungsrechnen Beschaffung, Finanzierung Handlungsempfehlungen

Fortschreibung HPC-Konzept (3) Handlungsempfehlungen HPC-Versorgungskonzept längs einer Leistungspyramide HPC-Pyramide ist sachgerecht und hat sich bewährt Jederzeit in D mindestens ein Spitzensystem. Mitarbeit bei Exascale angeraten Notwendigkeit einer funktionierenden Ebene 1 mit Architekturvielfalt Notwendigkeit einer flächendeckenden Tier2-Versorgung HPC wird vielfältiger: Computational Steering, Real-Time Computing, Data-Intensive Computing

Fortschreibung HPC-Konzept (4) Handlungsempfehlungen HPC-Forschung und Ausbildung Stärkung der HPC-Methodenwissenschaften Stärkung der Tools für HPC-SW-Entwicklung und den HPC-Betrieb Anpassung von HPC-Applikationen an neue Architekturen inkl. Skalierung Fortsetzung der BMBF-HPC-SW-Calls Förderung von HPC-Kompetenzzentren und Simulation-Labs Stärkung der HPC-relevanten Ausbildungsangebote Verstärkte Kooperationen mit der Industrie

Fortschreibung HPC-Konzept (5) Handlungsempfehlungen Organisation und Gremien Koordination von Tier0/1 durch GCS hat sich bewährt Verstärkte Koordination in Tier2 unter starker Beteiligung der GA erforderlich Engere Zusammenarbeit GA und GCS ist angeraten, insbesondere bei Anwenderunterstützung, Lösungsentwicklung, Ausbildung, Öffentlichkeitsarbeit, Beratung Organisationsform von GA und GCS angemessen. GA wird ein „Nutzer- Beirat“ empfohlen

Fortschreibung HPC-Konzept (6) Handlungsempfehlungen Finanzierungsbedarf Zu Ebene 0/1: bisheriges Fördervolumen sollte nachhaltig abgesichert werden Zu Ebene 2: Mittel bisher zu knapp, sollten keine Bauten i.e.S. enthalten Zur HPC-Forschung: ca. 20 Mio. jährlich Länder werden ermutigt, Mittel für Simulation-Labs und Kompetenzzentren bzw. –netzwerke bereitzustellen

Fazit Die WR-Empfehlungen von 2004, die BMBF-Initiativen und das Reuter- Papier haben in den letzten Jahren viel bewegt Die HPC-Situation in D ist verbessert worden, aber die anderen Länder schlafen nicht Die Nachhaltigkeit der Maßnahmen der letzten Jahre ist nicht gesichert Deutschland muss in Europa an der Spitze bleiben. HPC bleibt ein wichtiger Wettbewerbsfaktor