„Kein Geld verplempern durch den Einsatz von ineffizienter Software“

Was unterstützt KONWIHR genau und wen?
Bungartz: Wer an einer bayerischen Hochschule forscht, kann Förderung beantragen. KONWIHR vermittelt Geld und Expertise für die Arbeit an wissenschaftlichen Codes. Dafür gibt es je nach Fragestellung zwei Formate: bis zu 10.000 Euro für drei Monate sowie bis zu 50.000 Euro für ein Jahr. Jedes Projekt bekommt zudem eine Ansprechpartnerin an einem der Rechenzentren. KONWIHR soll Kompetenzen stärken, aber auch das bayerische HPC-Netzwerk. Ziel ist, dass so etwas wie ein Peer to Peer-Consulting entsteht, dass also die Spezialistinnen an den Rechenzentren Forschende mit Wissenschaftlerinnen zusammenbringen, die vergleichbare Fragen mit Hilfe von KONWIHR schon gelöst haben und nun Aufgaben beschleunigen helfen können.
Wellein: Über KONWIHR können Mitarbeitende von Projekten für einige Zeit direkt in einem der beiden Rechenzentren arbeiten und im direkten Kontakt mit Spezialistinnen Aufgaben rund um die Software oder deren Implementierung lösen. Seit Corona wird das leider nicht mehr so oft beansprucht, aber wenn Forschungsgruppen erstmals auf Hochleistungsrechnen setzen, profitieren sie davon sehr stark. Außerdem gibt es jedes Jahr zwei KONWIHR-Workshops, in denen Antragstellerinnen vor größerer Runde ihre Vorhaben präsentieren, auch das dient der Vernetzung und dem Wissenstransfer.

Mit welchen Fragen wird KONWIHR konfrontiert?
Wellein: Ein großes Thema ist sicher das Portieren von Codes auf ein anderes System oder auf eine neue Rechnerarchitektur. Das nächste sind Code-Optimierungen – eine Software soll effizienter und auf mehr parallelen Knoten rechnen oder die Arbeit aller eingesetzten Rechenknoten soll beschleunigt und verbessert werden. 
Bungartz: KONWIHR fördert außerdem Funktionserweiterungen von Software, also zum Beispiel, wenn Klimasimulationen um weitere Parameter ergänzt werden, oder wenn Analysemöglichkeiten in einen Simulationscode eingebaut werden sollen. Auch wenn zwei Codes für die Simulation eines Problems gekoppelt werden sollen und dafür noch eine elegante Schnittstelle benötigen, ist das ein Projekt für KONWIHR.
Wellein: Oder das Team hat einen Workflow, der auf Laptops unter Windows funktioniert und nun an einem Hochleistungsrechner ausgeführt werden soll. KONWIHR fördert klar umrissene Projekte innerhalb von Forschungsaufgaben, die technisch zu lösen sind. 

Was ist ein klassisches KONWIHR Projekt?
Bungartz: Voraussetzung ist immer eine wissenschaftliche Frage, die nur mit Rechnerunterstützung vernünftig zu beantworten ist. KONWIHR zielt dabei auf die technische Seite ab, es muss ein Optimierungspotenzial am Code geben.
Wellein: Alle Anträge werden von zwei Spezialistinnen begutachtet. Eine achtet auf die wissenschaftliche Fragestellung. Die andere bewertet den Einsatz von HPC: Eignet sich die Technik oder der Code? Bringt die höhere Auflösung der Berechnung wirklich voran? Ist der Arbeitsplan schlüssig? Diametral unterschiedliche Einschätzungen sind dabei durchaus möglich: Da unterstützt die Fach-Expertin das Projekt, weil die Aufgabenstellung neu ist, die Computerspezialistin kritisiert dagegen, dass ein Simulationscode gar nicht parallelisiert ist und daher nicht ausgeführt werden kann.

Ziel von KONWIHR war es, den Einsatz von HPC in Forschung und Wissenschaft zu verbreiten – ist diese Aufgabe nicht schon übererfüllt?
Bungartz: Das könnte man so sehen. Vor 25 Jahren modellierten nur wenige Expertinnen Gasströmungen im Universum oder komplexe technische Prozesse. Heute sind Simulationen Standardwerkzeuge in den Natur-, Lebens- und Ingenieurswissenschaften. Aber die Technik entwickelt sich ja weiter. Über die Datenanalytik und die Methoden der Künstlichen Intelligenz werden gerade die Sozial- und Geisteswissenschaften ans Hochleistungsrechnen herangeführt. Typischerweise ist vor allem hohe Rechenkraft gefragt, aber es heißt ja ,High Performance Computing‘ und nicht ,High Performance Computer‘. Es geht nicht darum, die größten Computersysteme einzusetzen, sondern aus diesen die volle Leistungsfähigkeit herauszuholen.
Wellein: Außerdem kommen viele Forschende zwangsläufig zum Hochleistungsrechnen. Die meisten programmieren erst auf dem Laptop Lösungen für ihre Datenfragen. Geht das gut, reichen irgendwann die technischen Ressourcen nicht mehr aus, weil es Wochen braucht, bis Ergebnisse vorliegen. An diesem Punkt kommen KONWIHR und die Rechenzentren ins Spiel: Wir eröffnen dem Team ein größeres System, damit es komplexer rechnen kann.
Bungartz: KONWIHR hilft dabei auch Hemmschwellen zu überwinden. Forschende einer Hochschule im ländlichen Raum erkennen durch das Programm, dass ihnen die Hochleistungsrechner am LRZ oder des NHR@FAU ebenfalls offenstehen. Nicht zuletzt verlassen Studierende und Doktoranden die Hochschulen, werden Professoren und Professorinnen neu berufen, kommen also immer wieder neue Leute, die praktische HPC-Erfahrungen brauchen, um ihre Forschungsfragen zu lösen.

Welche Entwicklungen haben KONWIHR in den letzten 25 Jahren geprägt?
Wellein: Was noch immer nachwirkt, ist die Parallelisierung von Rechenknoten mit dem Message Passing Interface oder MPI. Dann wuchs der Unterstützungsbedarf stark im Bereich numerischer Simulation und in der Algorithmik. Nun ist die Integration von Beschleunigern und deren Auswirkungen auf Codes ein großes Thema. Seit ein, zwei Jahren wird auch für das Zusammenspiel von KI und HPC oder für den Einsatz von KI-Modellen Unterstützung beantragt.
Bungartz: Das KONWIHR-Ziel, effizienter zu rechnen, ist in der Simulations-geprägten HPC-Gemeinde angekommen und hat dort zu viel Wissen geführt. Die KI-Welt beginnt erst, über Effizienz nachzudenken – so gesehen erleben wir gerade einige Déjà-vus: Wir hatten schon vor 20, 25 Jahren Forschende, die immer mehr CPU oder Rechenkraft wollten. Jetzt kommt das ,gebt mir mehr‘ verstärkt aus der KI-Ecke. Dabei wird mit zunehmender Erfahrung klar, dass der Leistungszuwachs zu gleichen Teilen von der Hardware und von der numerisch-linearen Algebra oder Algorithmen getrieben wird.

Wo fließen die höheren Fördersummen hin – ans LRZ, weil dort die größeren, aufwändigeren Rechner stehen? 
Wellein: Die Zuwendungen haben nichts mit der Größe der Systeme zu tun, sondern wie lange sich die Forschenden mit einer Software beschäftigen. Zu beobachten ist, dass die 3-Monats-Projekte oft genutzt werden, um eine studentische Hilfskraft für Anpassungen einzustellen. Bei den größeren Anträgen gibt es bereits eine Software und Basiskenntnisse. Das sind oft Vorhaben, die die Deutschen Forschungsgesellschaft für drei, vier Jahre unterstützt und für die jemand gebraucht wird, der sich um Software oder Technik kümmert. Mit 50.000 Euro können Sie jemanden etwa 8, 9 Monate beschäftigen und dafür sorgen, dass das Projekt nicht nur wissenschaftlich Ergebnisse bringt, sondern auch in puncto Software Nachhaltigkeit erreicht.

Ob mit GPU, Quantensystemen oder neuen analogen Technologien – wie reagiert KONWIHR auf Beschleunigertechnologien?
Wellein: Diese Entwicklungen spiegeln sich vor allem in den Anträgen wider. Wir sehen jetzt erste explorative Projekte zum Quantencomputing. Die Technik ändert sich, aber das Ziel bleibt, die Anwendung, den Code oder den Workflow effizienter, schneller, sparsamer zu machen. Bei den KI-Methoden und der Datenanalytik ist die Situation vergleichbar mit dem HPC vor 30 Jahren. Der Unterschied ist, damals hatte jeder einen eigenen Code. Für KI werden heute weitgehend Standard-Frameworks verwendet, aber sobald sich Methoden oder Codes ausdifferenzieren und angepasst werden sollen, können wir das Knowhow, das wir über 30 Jahre aufgebaut haben, einsetzen.

Neben neuen Technologien rückt die Energieeffizienz in den Fokus – auch ein Thema in KONWIHR-Anträgen?
Bungartz: KONWIHR war und ist ein Instrument, um Nachhaltigkeit und Energieeffizienz sicherzustellen. Wenn Sie ein wissenschaftliches Problem in zehn Prozent der Laufzeit berechnen können, sparen Sie auch 90 Prozent Energie. Keine Forschungsgruppe stellt einen Antrag auf Energieeffizienz, sondern auf die Verbesserung der Anwendung.