25 Jahre nationales Hochleistungsrechnen am LRZ

Die Rechenkraft der Supercomputer am LRZ verzehnfachte sich etwa alle vier Jahre, die Speichermenge verdoppelte sich regelmäßig nach gut einem Jahr. Andere Rechenzentren dieser Welt zeigen vergleichbare Entwicklungen: Gemäß dem Moore’schen Gesetz stieg die Rechenleistung der Nummer 1-Systeme in der Top500-Liste alle 14 Monate um 100 Prozent. Doch die Top-Platzierungen aller LRZ-Supercomputer – von HLRB über SuperMUC hin zu SuperMUC-NG – in der weltweiten Bestenliste treten in den Hintergrund beim Anblick der wissenschaftlichen Spitzenleistungen, die diese Supercomputer in den letzten 25 Jahren möglich machten. Sie sorgten unter Wissenschaftlerinnen für Aha-, oft sogar für Wow-Effekte.

• Unter Leitung von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) berechnete der LRZ Supercomputer das Modell der menschlichen Lunge, das die Vorstellung dieses Organs umkrempelte: Die Lunge ist kein traubenförmiges, sondern ein schwammartiges Gewebe, das ungefaltet größer als die Haut ist.
• Wie in Millionen Jahren die Kontinente auf der Erde entstanden und was sich dafür in deren Kern und Kruste tat, das simulierten Forschende an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und schufen so faszinierende Bilder, die heute im American Museum of Natural History in New York gezeigt werden.
• 2013 rekonstruierte das 1Kite-Projekt mit Hilfe von SuperMUC den Stammbaum von Insekten und Vögeln. Diese Grundlagen der Biologie gehören noch immer zu den meistzitierten Ergebnissen ihres Fachs.
• Für Millenium TNG, ein Astro-Projekt unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA), simulierten die HPC-Systeme des LRZ mehrmals Dunkle Materie, was unter anderem zur Entdeckung und Vermessung von Neutrinos führte.
• Für das europäische Exzellenzcluster CompBioMed durchsuchte SuperMUC-NG 2020 Bibliotheken nach Wirkstoffen gegen die Corona-Pandemie und simulierte den Blutfluss in Adern und im Gehirn.

Die Schallgrenze wiederum wurde 2021 in der größten interstellaren Turbulenz entdeckt, die ein Team aus Deutschland, den USA und Australien am LRZ modellierte und visualisierte. Deren Wiederholung 2025 dokumentiert den unstillbaren Appetit nach Rechenleistung und Speicherplatz: Gerechnet wurden für beide Simulationen jeweils 100 Snapshots, doch statt 23 belegt die neue durch höhere Auflösung schon 30 Terabyte Hard Drive Space. Arbeiteten vorher 65.000 Rechenkerne, waren jetzt 138.240 aktiv. Verlangte die erste Simulation rund 130 Terabytes an Arbeitsspeicher, so braucht die neue 288 Terabytes. Und Forschende wollen mehr und mehr und mehr rechnen.

Nutzungsdaten des LRZ aus den letzten 25 Jahren bestätigen eindrücklich, dass sich Simulation und Modellierung in den Naturwissenschaften als dritte Säule neben Experimenten und Messungen etabliert haben. Hier rechnen nicht nur die klassischen Heavy-User aus Astrophysik, Thermodynamik, Chemie oder Ingenieurswissenschaften, sondern auch Biologinnen, Medizinerinnen, Pharmakologinnen, Klimaforscherinnen sowie Mathematikerinnen und Informatikerinnen.

Diese Vielseitigkeit ist nicht nur die Folge von ausgeklügelter Computertechnik, sondern wurde aktiv gefördert durch das Kompetenznetzwerk für wissenschaftliches Hochleistungsrechnen, KONWIHR. Seit seiner Gründung im Jahr 2000 arbeitet die vom bayerischen Wissenschaftsministerium geförderte Organisation in Bayern daran, HPC in viel mehr Forschungsdisziplinen zu bringen. Dafür bündelt KONWIHR Fachwissen und HPC-Kompetenz und unterstützt damit Wissenschaftlerinnen bei der Entwicklung und Optimierung von Codes sowie beim Ausreizen von bestehenden Hochleistungscomputern.

In den nächsten Jahren dürfte Künstliche Intelligenz (KI) nicht nur die bayerische HPC-Community bei Simulationen unterstützen; ebenso wird die Zahl interdisziplinärer Projekte weiter zunehmen, denn Hochleistungsrechnen und Digitalisierung vernetzt Wissenschaftsdisziplinen.

Technisch prägt das Ende der Dennard Skalierung die letzten Jahre im HPC, auch das Mooresche Gesetz stößt an Grenzen. Rechenleistungen und Speicherplatz können folglich nicht mehr nur durch eine weitere Verdichtung von Transistoren oder durch die Parallelisierung von noch mehr Prozessoren gesteigert werden, zumal der Energiebedarf von Supercomputern die Möglichkeiten von Rechenzentren allmählich übersteigt. Selbst das Ranking der Top500-Liste spiegelt nur eingeschränkt die Leistung der darin verglichenen Systeme wider. Diese Herausforderungen forcieren das Experimentieren in eigener Sache. Die Forschung am LRZ fokussiert sich daher darauf, nicht das schnellste, sondern das beste System für die Wissenschaft zu haben.

Dem entsprechend entwickelte das LRZ mit Technologiepartner IBM die Kühlung mit heißem Wasser für SuperMUC, der 2012 an den Start ging und optimierte diese später mit Lenovo stetig weiter. Heute steht mit der Ausbauphase des SuperMUC Next Generation, oder kurz SuperMUC-NG, das erste System in den Rechnerräumen des LRZ, das nur mit heißem Wasser kühlt und die Abwärme zur Heizung nutzt. Die Wasserkühlung hat sich im Supercomputing weltweit durchgesetzt und hilft Rechenzentren heute, den Energiebedarf beträchtlich zu senken. 

Auch die Konturen einer Zukunft des HPC werden am LRZ sichtbar und deutlicher: So enthält die Erweiterung von SuperMUC-NG, dem aktuellen Supercomputer, neben knapp 27.000 CPU rund 1000 GPU, die das Rechnen beschleunigen und mit statistischen Methoden das HPC und klassische Simulationen bereichern.

Der aktuell leistungsfähigste Computer am LRZ SuperMUC-NG wurde zudem mit Quantencomputern verbunden, die wieder neue Möglichkeiten für Berechnungen bringen. Im Sommer 2025 wurden außerdem erste photonische Prozessoren am LRZ installiert, die statt mit elektrischen Impulsen mit Licht rechnen und nun daraufhin getestet werden, ob sie in einer analog-digitalen Architektur mit Hochleistungsrechnern kooperieren.