Ranking 09.11.2020, 10:41 Uhr

Das sind die schnellsten Supercomputer der Welt

Im Vergleich zu konventionellen heimischen PCs sind Supercomputer nicht nur gigantisch groß, auch die verbaute Hardware hat es in sich. Gerade in der Wissenschaft werden dadurch komplexe Simulationen und aufwendige Berechnungen ermöglicht. Wir stellen Ihnen die TOP 10 der schnellsten Supercomputer der Welt vor.

Supercomputer

Supercomputer übertrumpfen sich in ihren Rechenleistungen.

Foto: panthermedia.net/Michael Osterrieder

Supercomputer gelten als Symbol für die größtmögliche verfügbare Rechenleistung. Meist ist ihr Anwendungszweck durch eine individuell angepasste Architektur vordefiniert. Durch diesen Umstand können zugewiesene Aufgaben zielgerichtet bearbeitet werden. Dabei ist das Konzept des Superrechners heutzutage eher archaischer Natur, denn stattdessen wird benötigte Leistung im Unternehmensumfeld hauptsächlich durch den Zusammenschluss zahlreicher Standardkomponenten erreicht. Dennoch greifen gerade Forschungseinrichtungen wie Universitäten, Institute oder Labore auf die geballte Technik eines Supercomputers zurück, um vielfältige komplexe Berechnungen in annehmbarer Zeit zu realisieren.

Im Kampf gegen das Coronavirus berechnen Supercomputer zum Beispiel nicht nur viele Ausbreitungsszenarien, sondern unterstützen die Forschung in vielerlei Hinsicht. Angefangen bei der Erstellung eines präzisen Modells des Virus, über die Wirksamkeit bereits vorhandener Therapeutika und Pharmaka bis hin zur Entwicklung von Antikörpern. Dafür wurden nicht nur bereits bestehende Supercomputer genutzt. Einige wurden innerhalb kürzester Zeit sprichwörtlich aus dem Boden gestampft.

Geplant für 2022/23: Supercomputer Leonardo

In naher Zukunft ist ein weiterer Gigant auf europäischem Boden geplant: Supercomputer Leonardo. Dieser wurde jedoch in erster Linie für Forschungszwecke im Bereich Künstliche Intelligenz entworfen und soll in dieser Disziplin Rekorde brechen. Standort des schnellsten KI-Supercomputers ist Bologna in Italien. Dort soll er im weltweit bekannten Supercomputing-Zentrum CINECA die bereits vorhandenen Großrechner bereichern und so dem Konsortium in der Abteilung SCAI (SuperComputing Application and Innovation) zur Verfügung stehen.
Supercomputer der Superlative erreichen eine Rechenleistung im Tera- bzw. sogar im Petaflops-Bereich (floating point operations per second). Zur Veranschaulichung sind das auf Letzteres bezogen 1015 Fließpunktoperationen pro Sekunde. Die Rechenleistung wird, standardisiert per Linpack (Linear System Package) -Benchmark gemessen: Das sind die 10 leistungsstärksten Supercomputer der Welt.

Rang Name Standort Pflops Kerne Energieverbrauch
1 Supercomputer Fugaku RIKEN Center for Computational Science (Kobe, Japan) 415,5 7.299.072 28.335 kW
2 Summit Oak Ridge National Laboratoy (Oak Ridge, USA) 148,6 202.752 10.096 kW
3 Sierra LLNL, Lawrence Livermore National Laboratory (Livermore, USA) 125 190.080 7.438 kW
4 Sunway TaihuLight National Supercomputing Center (Wuxi, China) 93,0 10.649.600 15.371 kW
5 Tianhe-2A National Super Computer Center (Guangzhou, China) 61,44 4.981.760 18.482 kW
6 HPC5 Eni S.p.A. (Ferrera Erbognone, Italien) 35,45 669.760 2.252 kW
7 Selene NVIDIA Corporation (Santa Clara, USA) 27,58 272,800 1.344 kW
8 Hawk Universität Stuttgart (Stuttgart, Deutschland) 25,95 720.896 4.100 kW
9 Frontera University of Texas (Austin, USA) 23,51 448.448 6.000 kW
10 Marconi-100 CINECA (Bologna, Italien) 21,64 347.776 1.476 kW

10. Marconi-100 (Bologna, Italien)

Auf Platz 10 der schnellsten Supercomputer der Welt landet der Marconi-100. Er befindet sich im größten und leistungsstärksten Rechenzentrum Italiens in Bologna, dem CINECA. Dieses ist wiederum eines der bedeutendsten Supercomputing-Zentren der Welt. Der Marconi-100 besteht aus 10.868 Einzelrechnern, die jeweils mit zwei Prozessoren vom Typ IBM POWER9 (16 Kerne, 3,1 GHz) bestückt sind. Insgesamt kommt das System der Superlative auf 347.776 Kerne, die eine Rechenleistung von 21,64 Petaflops ermöglichen. Zusätzlich können pro System 4 Nvidia Volta 100 Grafikprozessoren angesprochen werden. Darüber hinaus verfügt der Marconi-100 insgesamt über 252 TB Arbeitsspeicher (RAM). Nicht nur die Gesamtleistung des Systems ist beachtlich, sondern auch der Energieverbrauch von rund 1,5 MW. Derzeit wird der Supercomputer in der Abteilung SCAI (SuperComputing Application and Innovation) für Berechnungen der italienischen und europäischen Wissensgemeinschaft in verschiedenen Forschungsbereichen genutzt.

9. Frontera (Austin, USA)

Mit einer Rechenleistung von 23,5 Petaflops landet der Frontera des Texas Advanced Computing Center (Austin, USA) auf Platz 9. Der Supercomputer wurde 2019 in Betrieb genommen und soll dabei die Forschung in Bereichen wie Astronomie, Medizin, Stadtplanung und Wetter unterstützen. Für die Leistung sind sowohl 16.016 Intel Xeon Prozessoren (28 Kerne, 2,7 GHz) mit insgesamt 448.448 Kernen sowie 360 Nvidia Quadro RTX 5000 und 448 Nvidia V100 Grafikprozessoren zuständig. Dadurch sollen sowohl wissenschaftliche Modelle, Big Data-Analysen sowie die Nutzung künstlicher Intelligenz möglich sein. Der Stromverbrauch unter Last liegt hier bei etwa 6 MW, wovon bis zu einem Drittel durch Windenergie gedeckt wird. Investor dieses Projekts war in erster Linie die National Science Foundation (NSF), welche den Bau mit 60 Mio. Dollar (53 Mio. Euro) subventionierte.

8. Hawk (Stuttgart, Deutschland)

Anspruchsvolle Berechnungen für komplexe Simulationen in Industrie und Wissenschaft soll der Hawk an der Universität Stuttgart mit einer Geschwindigkeit von rund 26 Petaflops durchführen – wie zum Beispiel die Form von Windrad-Rotorblättern oder Tragflächen von Flugzeugen. Er ersetzt dabei den am selben Standort betriebenen Hazel Hen. Im Hawk arbeiten insgesamt 5.632 Rechenknoten, jeweils bestückt mit zwei AMD Epyc-Prozessoren (64 Kerne, 2,25 GHz), welche auf 44 einzelne Racks verteilt sind. Insgesamt stehen demnach 720.896 Rechenkerne zur Verfügung. Unter Volllast benötigt der Hawk in etwa 4,1 MW an Energie. Die Kosten für den Supercomputer lagen bei rund 44 Mio. Euro, während sich die jährlichen Stromkosten auf bis zu 4 Mio. Euro beziffern lassen. Das befördert den Hawk auf den 8. Platz des Rankings.

Hawk

So sieht er aus, der Supercomputer Hawk.

Foto: HLRS

7. Selene (Santa Clara, USA)

Platz 7 des Rankings der leistungsstärksten Supercomputer der Welt belegt Selene. Er wurde von Nvidia in innerhalb von nicht einmal drei Wochen zu Beginn der Corona-Pandemie entwickelt. Das System basiert auf AMD EPYC 7742 Prozessoren (64 Kerne, 2,25 GHz) und bietet mit insgesamt 272.800 Prozessorkernen sowie der Integration von Nvidia A100 Grafikbeschleunigern eine Rechenleistung von 27,58 Petaflops. Die Energieaufnahme liegt bei rund 1,3 MW im Betrieb. Der Großrechner wird im Kampf gegen das Corona-Virus eingesetzt. Er unterstützt Forschungseinrichtungen zum Beispiel bei der Lösung von Konzeptionsproblemen in den Bereichen Protein-Docking und quantenchemischen Prozessen.

6. HPC5 (Ferrera Erbognone, Italien)

Platz 6 geht an den schnellsten privaten Supercomputer, den HPC5 des italienischen Gas- und Erdölkonzerns Eni. In diesem kommen 1820 PowerEdge C4140-Server aus dem Hause Dell zum Einsatz. Jeder dieser Rechner besitzt 2 Intel Xeon Prozessoren mit 24 Kernen und einer Taktfrequenz von bis zu 3,7 GHz. Insgesamt stehen dadurch 87.360 Kerne zur Verfügung. Dazu kommen vier Nvidia Tesla-V100 Beschleuniger pro Rechner, woraus 7.280 Grafikbeschleuniger resultieren. Die Rechenleistung von rund 51,7 Petaflops wird von Eni vor allem für die Verarbeitung von dreidimensionalen seismischen Bildern sowie zur Simulation von Lagerstätten und der Optimierung von Produktionsabläufen genutzt. Als grünes Highlight deckt der HPC5 seinen Energiebedarf von bis zu 2.252 kW zum Teil durch Solarenergie.

5. Tianhe-2A (Guangzhou, China)

Der Tianhe-2A, übersetzt auch Milkyway-2A, war bei seiner Fertigstellung im Jahr 2013 nahezu doppelt so schnell wie der zu dieser Zeit leistungsstärkste Supercomputer. Derzeit landet er auf dem 5. Platz der Weltrangliste. Entwickelt wurde die Anlage an der Universität für Wissenschaft und Technik der Landesverteidigung in Changsha, Guangzhou (China). Die Rechenleistung von 33,86 Petaflops wird größtenteils durch 32.000 Intel Xeon E5 (12 Kerne, 2,2 GHz) sowie 48.000 Intel Xeon Phi (nur 57 statt der üblichen 61 Kerne – da es sich um ein Vorserienmodell handelt, 1,1 GHz) erreicht. Die 4.096 an der Universität selbst entwickelten Galaxy FT-1500 (16 Kerne, 1,8 GHz) sind nur indirekt an den Rechenvorgängen beteiligt, indem sie Rechenleistung für das Frontend beziehungsweise das Benutzerinterface bereitstellen und Aufgaben an die einzelnen Knotenpunkte des Supercomputers zuweisen. Das System besteht aus insgesamt 125 Racks, welche eine Fläche von 720 m² beanspruchen und bei voller Last rund 18,5 MW an Energie benötigen. Das Wasserkühlsystem schlägt zudem mit weiteren 6,4 MW zu Buche. Genutzt wird dieser Supercomputer vorwiegend für Forschungs- und Bildungszwecke.

4. Sunway TaihuLight (Wuxi, China)

Ebenfalls in China befindet sich Platz 3 der schnellsten Supercomputer: Der Sunway TaihuLight. Am NRCPC (National Research Center of Parallel Computer Engineering & Technology) entwickelt, steht dieser nun seit 2016 im National Supercomputing Center in Wuxi. Die Rechenleistung von 93 Petaflops wird durch 40.960 Prozessoren vom chinesischen Hersteller ShenWei erbracht. Diese takten mit 1,45 GHz, besitzen jeweils 260 Kerne und basieren auf einem RISC-Design. Das gesamte System belegt 40 Serverschränke, in denen sich jeweils 4×256 Rechenknoten befinden. Die Leistungsaufnahme liegt unter Volllast bei 15,371 MW, was eine Effizienz von 6 Gigaflops pro Watt bedeutet. Dadurch sinkt auch die notwendige Kühlleistung. Die Kosten für dieses Projekt beliefen sich auf umgerechnet rund 260 Mio. Euro. Verwendet wird Platz 3 in erster Linie für Biowissenschaften, Wettervorhersage, bei Fertigungstechnologien sowie in der Big Data-Analyse.

3. Sierra (Livermore, USA)

Der IBM-Supercomputer Sierra befindet sich am LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) in Livermore (USA). Er belegt seit 2018 mit seinen bis zu 125 Petaflops den 3. der Weltrangliste und zusätzlich den 6. Platz in der Green500-Liste – dank einer Recheneffizienz von 12,681 Gigaflops pro Watt. Sierra besteht aus 4.320 Rechenknoten, jeweils bestückt mit 2 Power9-Prozessoren (eine 64-Bit-Recheneinheit von IBM, Nachfolger der Großrechner-Prozessoren, 22 Kerne, 3,1 GHz), 4 Nvidia Volta Beschleunigern sowie 256 GB Arbeits- und 1,6 TB SSD-Speicher. Insgesamt stehen demnach 190.080 Kerne sowie 17.280 Grafikbeschleuniger zur Verfügung. Seine Aufgabengebiete liegen vor allem in der Simulation von Nuklearwaffen sowie der Forschung in diesem Bereich.

2. Summit (Oak Ridge, USA)

Leistungsdaten auf einem noch etwas höherem Niveau liefert der Summit, ein Supercomputer vom Hersteller IBM, welcher im Ranking den 2. Platz erklimmt. Dieser befindet sich im Oak Ridge National Laboratory, Tennessee (USA) und ist seit 2018 in Betrieb. Er ersetzt seinen Vorgänger Titan, welchen er leistungsmäßig um den Faktor 12 schlägt. Summit besteht aus insgesamt 4.608 Rechnern des Typs IBM OpenPower9, welche jeweils zwei Power9-Prozessoren (22 Kerne) enthalten. Der Großteil der Rechenleistung wird jedoch von 27.648 Grafikbeschleunigern des Typs Nvidia Tesla V100 ermöglicht. Insgesamt stehen dadurch 148,6 Petaflops zur Verfügung. Der Energieverbrauch liegt bei relativ niedrigen 10,096 MW, wodurch Summit mit einer Effizienz von 17,6 Gigaflops pro Watt auf dem dritten Platz der Green500-Liste landet. Eingesetzt wird das System zur Forschung in den Bereichen Medizin, Fusionsenergie und der Materialentwicklung. Außerdem werden damit Daten aus Teilchenbeschleunigern ausgewertet.

1. Supercomputer Fugaku (Kōbe, Japan)

Mit Abstand den souveränen ersten Platz der schnellsten Supercomputer der Welt belegt Fugaku im RIKEN Center for Computational Science in Kōbe, Japan. Dieser leistet mit seinen 7.299.072 Kernen auf ARM-Basis 415,5 Petaflops. Die einzelnen Recheneinheiten sind Eigenentwicklungen vom Hersteller Fujitsu und beinhalten 48 Kerne sowie 32 Gigabyte HBM2-Arbeitsspeicher (High Bandwith Memory, bis zu 1.024 GB/s schnell). Auf demselben Chip befinden sich außerdem weitere Komponenten wie PCIe-Lanes und ein Netzwerk-Switch, wodurch die Bezeichnung „System-on-a-Chip (SOC)“ zutrifft. Dank des 7nm-Herstellungsprozesses ist dieses Wunderwerk der Technik außerordentlich energieeffizient. Deshalb landet Fugaku ebenso auf dem 9. Platz der Green-500-Liste. Der Supercomputer benötigt im Betrieb jedoch immer noch bis zu 28.334,5 kW an Energie. Fugakus Stärke liegt aber nicht nur in der Rechenleistung selbst, sondern in der ausgewogenen Architektur aus Prozessoren, Interconnects (Vernetzung) und Speichern. Bis zur finalen Inbetriebnahme im Jahr 2021 sollen noch einige Tests und Benchmarks durchgeführt werden. In der Zwischenzeit wird die Rechenleistung für die Forschung an einem COVID-19-Impfstoff genutzt.

Die schnellsten Supercomputer Deutschlands

Im internationalen Vergleich kann Deutschland durchaus mithalten. So befanden sich 2019 gleich zwei der schnellsten Supercomputer Deutschlands unter den internationalen TOP 10. Aktuell schafft es jedoch nur noch der Hawk an der Universität Stuttgart auf den 8. Platz.

Auf Platz 3 im nationalen und auf Rang 31 im globalen Vergleich, befindet sich der Supercomputer JUWELS am Forschungszentrum Jülich in Nordrhein-Westfalen. Dieser besteht aus 2.271 Rechnern mit jeweils 96 GB Arbeitsspeicher und 240 weiteren Rechnern mit jeweils 192 GB. Beide beherbergen einen Prozessor des Typs Intel Xeon Platinum SC 8168 (24 Kerne, 2,7 GHz). Dazu gesellen sich 40 weitere Rechner mit jeweils 4 Nvidia Volta V100 Grafikprozessoren. Insgesamt erreicht das System eine Rechenleistung von 10,4 Petaflops bei einem Energieverbrauch von 1,36 MW. Gekühlt wird der Supercomputer mit Heißwasser, welches gleichzeitig für Heizzwecke anderer Gebäude genutzt wird.

Weitere Rekorde

Supercomputer sind nahezu dafür prädestiniert, sämtliche Rekorde der Vorgänger zu brechen. Doch nicht jede Besonderheit lässt sich durch Rechenleistung messen. Abseits dieses Rennens befinden sich weitere erwähnenswerte Systeme, die einer Erwähnung würdig sind.

++SpiNNaker: Mehr Gehirn als Computer++

Ältester noch funktionierender Supercomputer

Bereits im Jahr 1973 stillgelegt, jedoch 2009 in den Lagerräumen des National Museum of Computing in Bletchley Park (Großbritannien) wiederentdeckt, restauriert und zum Leben erweckt: Der WITCH (Wolverhampton Instrument for Teaching Computer from Harwell). Die ursprünglich Harwell getaufte Maschine wurde 1951 zum ersten Mal in Betrieb genommen und lieferte wichtige Erkenntnisse in der damals noch jungen Atomforschung. Das System ist einfach gestrickt und besteht aus einem Lochstreifenleser, welcher die Daten in einem flüchtigen Speicher ablegt, sowie einer Vielzahl an Relais, die im Anschluss Berechnungen durchführen. Die Ausgabe erfolgt nicht über einen Monitor, sondern über eine elektromechanische Schreibmaschine oder auf einem Lochstreifenband. Aufgrund der Relais war der WITCH zwar relativ langsam, jedoch machte er diesen Nachteil durch Genauigkeit und Ausfallsicherheit wett.

Grünster Supercomputer

Ebenfalls noch zu den Computern der Superlative zählend, aber weitaus weniger leistungsstark im Vergleich zu den TOP 10 der schnellsten Supercomputer der Welt, ist der MN-3 zur Zeit der grünste Vertreter. Er befindet sich am Yokohama Institute for Earth Sciences in Japan in der Abteilung JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology). Mit einem Energieverbrauch von bescheidenen 76,80 kW schafft er ganze 1,6 Petaflops, bei einer Spitzenleistung von 21,11 Gigaflops pro Watt. Damit ist seine Energieeffizienz kaum anfechtbar. Allerdings beruht das System auf lediglich 2.080 Kernen, bestehend aus Intel Xeon M (24 Kerne, 2,4 GHz) und sogenannten MN-Cores, die aus einer Eigenentwicklung stammen. Letztere sollen Berechnungen in den Bereichen Deep Learning und Robotik beschleunigen. Auf der Weltrangliste der schnellsten Supercomputer ordnet sich der MN-3 allerdings nur auf Platz 393 ein. Auf Platz zwei der grünsten Computer befindet sich allerdings ein Vertreter aus der TOP 10 der leistungsstärksten Großrechner: Der Seline in Santa Clara in den Vereinigten Staaten von Amerika.

++Grüner Supercomputer aus Darmstadt++

Supercomputer für den banalsten Anwendungszweck

Die enorme Rechenleistung lässt sich nicht nur für wissenschaftliche Zwecke nutzen, was ein russisches Forscherteam am Supercomputer des Russischen Föderalen Nuklearzentrums (VNIIEF) in Sarow beweisen konnte. Dieser ist für gewöhnlich aus Sicherheitsgründen nicht mit dem Internet verbunden. Um jedoch Bitcoin-Mining, ein Verfahren zum Generieren einer Kryptowährung, darauf betreiben zu können, ging das System ans Netz, wodurch die ganze Aktion letztendlich aufflog. Die Rechenleistung der Anlage von rund einem Petaflop macht, verglichen mit der des gesamten Bitcoin-Netzwerks jedoch nur einen geringen Bruchteil dessen aus. Kein finanzieller Gewinn für das Team, jedoch Anzeigen vom Rechenzentren-Betreiber.

Leistungsstark Richtung Zukunft

Bereits jetzt sind noch leistungsfähigere Supercomputer in Planung, von denen in den kommenden Jahren die Exaflop-Marke geknackt werden soll. Bis Anfang 2022 soll Aurora, ein Großrechner des Energieministeriums der Vereinigten Staaten, als erstes Exaflop-System den Betrieb aufnehmen. El Capitan und Frontier sollen mit einer Rechenleistung von rund 1,5 Exaflops folgen. Die ständig wachsende Rechenleistung geht außerdem mit geringerem Energieverbrauch und damit verbundener höherer Effizienz einher. In der Zukunft jedoch könnten spezielle Probleme und Aufgabenstellungen durch Quantencomputer noch schneller gelöst werden. Hier gilt es jedoch, erst Algorithmen zu finden, welche die Vorteile ausnutzen können, um von der höheren Geschwindigkeit zu profitieren.

Erfahren Sie hier noch mehr über Höchstleistungen:

Medikamente gegen den Coronavirus in Sicht – dank Supercomputer

Supercomputer VSC-4: Rechenpower für die Forschung

China hat die allermeisten Supercomputer der Welt

Von Silvia Hühn

Themen im Artikel

Stellenangebote im Bereich Naturwissenschaften

B. Braun Melsungen AG-Firmenlogo
B. Braun Melsungen AG Koordinator (m/w/d) Manufacturing Science & Technology (MS&T) Berlin
Georg Fischer Fluorpolymer Products GmbH-Firmenlogo
Georg Fischer Fluorpolymer Products GmbH Projektingenieur mit Schwerpunkt Kunststoffverarbeitung (m/w/d) Ettenheim
Hydro Aluminium Rolled Products GmbH-Firmenlogo
Hydro Aluminium Rolled Products GmbH Brand- und Explosionsschutzingenieur (m/w/d) Neuss
Dörken GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Dörken GmbH & Co. KG Produktentwickler Innovationen (m/w/d) Herdecke
Hydro Aluminium Rolled Products GmbH-Firmenlogo
Hydro Aluminium Rolled Products GmbH Patentkoordinator (m/w/d) für Intellectual Property Management Grevenbroich
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit-Firmenlogo
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit Referent*in (m/w/d) im Referat WR I 3 "Gewässerschutz; Schutz der Oberflächengewässer und des Grundwassers" Bonn
New-York Hamburger Gummi-Waaren Compagnie AG-Firmenlogo
New-York Hamburger Gummi-Waaren Compagnie AG Ingenieur / Techniker (m/w/d) Qualitätssicherung / QMB Lüneburg
TECE GmbH-Firmenlogo
TECE GmbH Manager Corporate Sustainability / Nachhaltigkeitsmanager (m/w/d) Emsdetten
in-tech GmbH-Firmenlogo
in-tech GmbH Informatiker als Softwareentwickler C++/Qt für industrielle Systeme (m/w/d) Garching bei München, München
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT-Firmenlogo
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Bereichsleiter*in Additive Manufacturing Aachen

Alle Naturwissenschaften Jobs

Top 5 Rekorde

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.