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Sonntag, 17. Dezember 2017

Computing

Die Welt im Kleinsten dynamisch berechnen

Von Oliver Klempert | 13. Juli 2017 | Ausgabe 28

Am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart werden komplexe Sachverhalte simuliert, mehr noch – die Zukunft wird hier experimentell vorweggenommen.

Reportage HLRS (7)
Foto: HLRS

Mittendrin im Motorraum: Der Supercomputer macht in der „Cave“ sichtbar, wie sich eingespritzter Kraftstoff in einer Brennkammer verteilt.

Uwe Wössner skaliert den kleinen Einspritzstrahl mit wenigen Klicks hoch. Eben noch war der dünne, lediglich 0,4 mm breite Strahl als Ganzes auf der Projektionsfläche zu sehen – nun steht Wössner plötzlich mittendrin. Das Innere des Strahls zerstäubt in unzählige Bläschen, ist regelrecht explodiert. Kleinste Tröpfchen blasen sich von einem Moment zum nächsten zu riesigen, virtuellen Ballons auf.

Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS)

Wössner ist promovierter Ingenieur und Leiter der Abteilung Visualisierung am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS). Er läuft um einen dieser Ballons herum – zumindest sieht es für ihn so aus. Mithilfe einer speziellen 3-D-Brille, die Wössner in der sogenannten „Cave“ trägt, wirkt der kleine Strahl nicht nur monströs groß, er scheint nun auch geradewegs mitten durch den Raum zu fliegen.

Die „Cave“ – eine Abkürzung für „Cave Automatic Virtual Environment“ – macht möglich, was sonst nur in Kinderträumen möglich ist. Man scheint auf Miniaturgröße zu schrumpfen, kann in einem Raum Dinge betrachten, die sonst für das menschliche Auge fast unsichtbar sind: einen aufschlagenden Wassertropfen zum Beispiel oder einen sich ausbreitenden Einspritzstrahl in der Brennkammer eines Motors.

Foto: HLRS

Sichtbar machen, was der Supercomputer berechnet, ist die Hauptaufgabe von Uwe Wössner. Der Ingenieur leitet die „Cave“, die aus Zahlen virtuelle Realität macht.

Mehr noch: Man kann auf einer Fläche von knapp 3 m x 3 m darin umherlaufen und sich Schritt für Schritt anzeigen lassen, wie sich der Einspritzstrahl in jedem Moment ausbreitet, wo welche Tröpfchen hinfliegen, wo es Zusammenballungen des Treibstoffs gibt. Das „Holodeck“, wie man es aus „Star Trek“-Filmen kennt – hier ist es zum Teil bereits Wirklichkeit.

Diese „Zauberkiste“ ist im Grunde ein einseitig begehbarer Würfel aus Acryl und Glas, der innen mit fünf Projektionsflächen ausgestattet ist. Auf sie spielen Beamer von außen ein entsprechendes Bild ein. Für Uwe Wössner ist dieses dreidimensionale Gesamtbild ein wichtiges Werkzeug für seine tägliche Arbeit. Vier Kameras verfolgen seine Bewegungen im Raum, passen sofort die projizierten Bilder an.

Alles scheint dieser Technik möglich zu sein: Erkundungstouren durch den menschlichen Körper, virtuelle Reisen durch Landschaften, das Betrachten von Galaxien, die sich in Zeitraffer entfalten. Es ist eine Art 3-D-Display: Auf ihm wird anschaulich, was einen Stockwerk höher ein Supercomputer berechnet.

Gut eine halbe Stunde zuvor: Thomas Beisel, Maschinenbauingenieur und Betriebsleiter des Rechners, führt durch den funktionalen Bau des Höchstleistungsrechenzentrums nahe der Uni Stuttgart. Plötzlich stoppt er und sagt: „Hinter dieser Tür befindet sich unser Heiligtum.“ Es geht durch eine Luftschleuse, dann wird es von einem Moment zum nächsten laut und kalt.

Foto: HLRS

Aufpasser im Hühnerhof: „Hazel Hen“ heißt der leistungsstärkste Supercomputer in Stuttgart, den der Maschinenbauingenieur Thomas Beisel betreut.

Hatte die Sommersonne in dem großen Glasbau eben noch beinahe jede Ecke erwärmt, so fühlt man sich im nächsten Augenblick wie in eine klimatisierte Lagerhalle versetzt – es dröhnt und ein kühler, steter Luftzug lässt die Besucher frösteln. „Das ist die Klimaanlage“, brüllt Beisel gegen den Lärm an.

In vier Reihen aufgebaut, steht hier das Herzstück des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart – ein Cray-XC40-Rechner, eine große, verblendete, aber letztlich recht unscheinbare Kiste, die jedoch wahre Wunderdinge vollbringt: Dieser Rechner berechnet zum Beispiel, wie sich der einen Stockwerk tiefer dargestellte Einspritzstrahl innerhalb von Millisekunden ausbreitet.

Es ist ein Computer, von dem es nur drei Exemplare in Deutschland gibt; eine Maschine mit der Fähigkeit, alles zu berechnen, was man möchte – und dies in kürzester Zeit. Dafür besteht der Computer aus vielen gemeinsam miteinander verschalteten Rechnern. Insgesamt teilen sich mehr als 185 000 Prozessorkerne die gestellten Rechenaufgaben. Kaum vorstellbare 7,4 Billiarden Rechenschritte kann „Hazel Hen“, so der Name des Supercomputers, pro Sekunde ausführen. Fachleute sprechen von „Flops“ statt „Rechenschritten“ – 7,4 Petaflops sind das also; eine Größe, die Hazel Hen unter den Top 500 der weltweit schnellsten Computer Platz 17 sichert.

Anschaulicher formuliert: 8 Mrd. Menschen müssten knapp zwei Jahre ununterbrochen rechnen, um das Ergebnis zu erreichen. „Mit dieser geballten Rechenkraft können wir Dinge simulieren, die wir experimentell nicht durchführen können. Dies sind zum Beispiel langfristige Klimaberechnungen oder elementare Zellprozesse“, erläutert Michael Resch, Leiter des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart.

Foto: Boris Lehner für HLRS

Herr des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart: Michael M. Resch leitet das HLRS. Der Ingenieur gilt als einer der führenden Köpfe des Supercomputing in Europa.

Auch die Entwicklung umweltfreundlicherer Autos oder die Optimierung von Kraftwerken sind Themen, die hier behandelt werden – heruntergebrochen auf Detailfragen von entscheidender Relevanz, etwa der Ausbreitung von eingespritztem Treibstoff in eine Brennkammer. Hier will man schließlich, dass sich der Treibstoff möglichst gleichmäßig ausbreitet, um bei der Zündung dann die größtmögliche Kraft zu entfalten. Entscheidende Frage: Wie muss hierfür die optimale Düse aussehen?

Thomas Beisel öffnet eine der Verblendungen, dahinter blinken unzählige Dioden in unterschiedlichen Taktungen – Zeichen dafür, dass der Rechner aktiv ist. In die sogenannten Racks sind bis zu 192 Rechner verbaut. „Jeder einzelne Rechner besitzt zwei Zwölf-Kern-Prozessoren und 128 GByte Speicher“, erläutert Beisel. „Die Festplatten sind extern gelagert, damit man sie schnell austauschen kann.“ 5000 Festplatten gehören zu dem Supercomputer.

Seit über 20 Jahren arbeitet Beisel am HLRS und sagt: „Gerade in den vergangenen Jahren hat die Technik im Supercomputingbereich enorme Fortschritte gemacht.“ Da selbst ein solcher Supercomputer schon mal ins Schwitzen gerät, zählen zu seiner Ausstattung auch ein spezielles Kühlsystem sowie Wärmetauscher – und ein automatisiertes Überwachungssystem meldet Beisel, wenn etwas nicht stimmt.

Supercomputing – das ist wegen der Komplexität der gestellten Aufgaben die Königsdisziplin des modernen Rechnens. 1 Mio. Simulationen hat „Hazel Hen“ seit seiner Installation im Jahr 2015 mittlerweile durchgeführt, ein Jubiläum das unlängst begangen wurde.

Deutschland verfügt über die leistungsfähigste Supercomputerinfrastruktur in Europa. Das „Gauss Centre for Supercomputing“ bündelt die Kräfte der drei Höchstleistungsrechenzentren in Deutschland. Dies sind das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart, das Jülich Supercomputing Centre (JSC) und das Leibniz-Rechenzentrum bei Garching in München (LRZ).

Diese drei Supercomputer verfügen zusammen über eine Rechenleistung von mehr als 20 Petaflops, das sind 20 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde (Stand: Januar 2016). Für die Arbeit auf diesen Computern muss die Rechenzeit von Industrie und Forschung, also etwa von Universitäten, zuvor beantragt werden.

Zurück in der „Cave“ schaltet Uwe Wössner auf die nächste Visualisierung um – auf einen virtuellen Tatort. Eine Autotür wird eingespielt, im Hintergrund ist verschwommen eine Stadt zu erkennen. Blutspritzer sind auf der Autotür abgebildet, links davon ist ein Versuchsaufbau zu sehen – ein Hammer hat auf eine Metallfläche geschlagen und das Blut in verschiedenen Flugbahnen auf die Autotür treffen lassen. Der Versuch war zuvor real aufgebaut und anschließend eingescannt worden. Aufgabe war es danach, allein aufgrund der Verteilung und Anordnung der Blutspritzer auf ihren Ursprung zurückzurechnen.

Es ist ein Experiment, das die Grundproblematik vieler komplexer Aufgabenstellungen am Höchstleistungsrechenzentrum widerspiegelt: Stimmt das mathematische Modell, stimmt der zugrunde liegende Algorithmus überhaupt? Anders gefragt: Lassen die getroffenen Annahmen das gewünschte Ergebnis zu? Mit dieser Fragestellung müssen sich die Wissenschaftler immer wieder aufs Neue auseinandersetzen.

Wössner blendet die von dem Supercomputer berechneten Trajektoren ein – und tatsächlich: Sie führen fast punktgenau auf die Stelle zurück, an der der Hammer den Blutstropfen zuvor getroffen hatte. „Bei der Rekonstruktion eines Tatherganges kann es auf ein paar Zentimeter ankommen, ob eine Tat wie geschildert begangen wurde. Hier kann das mathematische Modell Ermittlern helfen, zwischen Schuld und Unschuld zu unterscheiden“, erläutert der Ingenieur.

Das Beispiel zeigt: Ohne reale Versuchsaufbauten geht trotz Supercomputer auch heute noch nichts. Und weil das so ist, stehen in der „Cave“ höchst irdische Dinge: ein Fahrsimulator zum Beispiel, der binnen weniger Minuten in der „Cave“ installiert werden kann. Auf 1000 virtuelle Crashversuche kommt heute – wegen der genauen Berechenbarkeit und weil echte Crashs viel teurer sind – schließlich nur noch ein realer Crash.

Des Weiteren gibt es eine Vorrichtung, mit der virtuell sogar Paragliding möglich ist. „Man braucht sowohl den realen als auch den simulierten Aufbau. Die Mischung macht es“, sagt Wössner. So ist es ein echter Paraglidingsitz, der in die Versuchsvorrichtung eingebaut ist. Mit echten Leinen steuert man den virtuellen Schirm über sich nach links oder rechts. Der Supercomputer einen Stockwerk höher liefert dazu die naturgetreuen Bilder – virtuell und real gehen eine gelungene Symbiose ein. Sogar eine berechnete Thermik gibt es. Wer diese mit seinem Gleitschirm nicht erwischt, für den kann es übel ausgehen. Pilot und Gefährt krachen dann ziemlich schnell in einen Berg – einen virtuellen wohlgemerkt.

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