Ranking 17.03.2020, 09:36 Uhr

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 berechnet 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. So arbeiten aktuell zum Beispiel einige dieser Großrechner an einer Lösung gegen das Coronavirus, indem die Reaktion des Erregers auf tausende Wirkstoffe simuliert wird. Dabei erreichen die Systeme der Superlative 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 Summit Oak Ridge National Laboratoy (Oak Ridge, USA) 148,6 202.752 10.096 kW
2 Sierra LLNL, Lawrence Livermore National Laboratory (Livermore, USA) 125 190.080 7.438 kW
3 Sunway TaihuLight National Supercomputing Center (Wuxi, China) 93,0 10.649.600 15.371 kW
4 Tianhe-2 National Super Computer Center (Guangzhou, China) 33,86 4.981.760 18.482 kW
5 Hawk Universität Stuttgart (Stuttgart, Deutschland) 25,95 720.896 4.100 kW
6 Frontera University of Texas (Austin, USA) 23,5 448.448 6.000 kW
7 Piz Daint Swiss National Supercomputing Centre, CSCS (Lugano, Schweiz) 21,2 387.872 2.270 kW
8 Trinity Los Alamos National Laboratory, (Los Alamos, USA) 20,16 979.072 7.578 kW
9 AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST (Kōtō, Japan) 19,88 391.680 3.250 kW
10 SuperMUC-NG Leibniz Rechenzentrum (Garching bei München, Deutschland) 19,48 305.856 3.400 kW

 

10. SuperMUC-NG (Garching bei München, Deutschland)

Der SuperMUC-NG ersetzt seit 2019 seinen Vorgänger SuperMUC am Leibniz-Rechenzentrum der Bayrischen Akademie der Wissenschaften in Garching bei München. Er schafft es als zweitschnellster deutscher Supercomputer gerade noch in die Top Ten im internationalen Vergleich. 12.744 Prozessoren vom Typ Intel Xeon Platinum (24 Kerne, 3,1 GHz) ermöglichen eine Rechenleistung von 19,48 Petaflops und stellen diese vorwiegend für Berechnungen in den Bereichen Big Data, Medizin, Pharmazie und Astronomie zur Verfügung. Zusätzlich können 32 Nvidia Volta 100 Grafikprozessoren genutzt werden. Eine Besonderheit dieses Systems liegt darin, dass die Rechenleistung auch über eine eigenständige Cloud-Komponente abrufbar ist. Beim System selbst handelt es sich um einen Zusammenschluss von 6.400 Lenovo ThinkSystem SD650, welche, auf die einzelnen Knoten verteilt, insgesamt 715 TB an Arbeitsspeicher (RAM) und 70 PB Speicherplatz auf Festplatten zur Verfügung stellen und rund 3,4 MW an Energie benötigen.

9. AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI) (Kōtō, Japan)

Mit einer Rechenleistung von 19,88 Petaflops landet die AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI) des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) auf Platz 9. Der Supercomputer vom Hersteller Fujitsu befindet sich an der Universität Tokio, Japan. Dort wird er vor allem für Big Data und Künstliche Intelligenz eingesetzt. Außerdem soll der Großrechner japanische Unternehmen unabhängiger von Cloud-Computing-Diensten wie Google oder Microsoft agieren lassen. Im System befinden sich 2.176 Prozessoren vom Typ Intel Xeon (20 Kerne, 2,4 GHz) sowie 4.352 Nvidia Tesla V100 Grafikbeschleuniger, wodurch insgesamt 391.680 Kerne zur Verfügung stehen. Der Energieverbrauch liegt unter Last bei rund 2,3 MW, während für die Kühlung der Komponenten zusätzlich bis zu 950 kW notwendig sind.

8. Trinity (Los Alamos, USA)

Der Trinity-Supercomputer des Herstellers Cray nutzt sowohl Intel Xeon E5-Prozessoren (16 Kerne, 2,3 GHz) als auch Xeon Phi-Beschleuniger (68 Kerne, 1,4 GHz). Insgesamt beziffert sich die Anzahl der Kerne auf 979.072, wodurch eine Rechenleistung von bis zu 20,16 Petaflops erreicht wird. Dabei liegt der Energieverbrauch bei rund 7,58 MW. Vernetzt sind die einzelnen Rechenknoten über zwei 648-Port Infiniband-Switches mit dem Datenspeicher. Dieser besteht aus zwei 41 Petabyte umfassenden Dateisystemen. Die Rechenleistung des Trinity wird zum Beispiel für Forschung im Bereich Nuklearwaffen verwendet und soll die Zertifizierung und Bewertung des NNSA Stockpile Stewardship-Programms unterstützen. Ziel dieses Programms ist die Prüfung der Zuverlässigkeit und Sicherheit der Atomwaffen der USA.

7. Piz Daint (Lugano, Schweiz)

Im Schweizer Kanton Tessin befindet sich das Swiss National Supercomputing Centre, welches den Piz Daint beherbergt. Er basiert auf Intel Xeon E5 Prozessoren (12 Kerne, 2,6 GHz) und bietet mit seinen insgesamt 387.872 Prozessorkernen sowie der Integration von Nvidia Tesla P100 Grafikbeschleunigern eine Rechenleistung von 21,2 Petaflops (Stand 2019, wird laufend aufgerüstet). Die Energieaufnahme liegt bei 2,27 MW im Betrieb. Die Kühlung der Systeme wird zudem durch Wasser aus dem nahe gelegenen Luganersee unterstützt. Eingesetzt wird der Großrechner zum Beispiel für Forschung zu dunkler Materie, neuen Solarzellen, Erdbeben- und Klimaprognosen und Pharmazie. Die Kosten für das System, beziehungsweise die Aufrüstung des vorherigen Supercomputers lagen bei rund 40 Mio. Schweizer Franken, wobei jeweils weitere 20 Mio. jährlich für den Betrieb notwendig sind, sowie für den Ausbau verwendet werden.

6. Frontera (Austin, USA)

Mit einer Rechenleistung von 23,5 Petaflops landet der Frontera des Texas Advanced Computing Center (Austin, USA) auf Platz 6. 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.

5. 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.

Lesen Sie hier noch mehr über Hawk.

4. Tianhe-2 (Guangzhou, China)

Der Tianhe-2, übersetzt auch Milkyway-2, war bei seiner Fertigstellung im Jahr 2013 nahezu doppelt so schnell wie der zu dieser Zeit leistungsstärkste Supercomputer. 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.

3. 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 Millionen Euro. Verwendet wird Platz 3 in erster Linie für Biowissenschaften, Wettervorhersage, bei Fertigungstechnologien sowie in der Big Data-Analyse.

2. 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 Platz 2 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.

1.  Summit (Oak Ridge, USA)

Leistungsdaten der Superlative liefert der Summit, ein Supercomputer vom Hersteller IBM, welcher im Ranking den 1. 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.

Top 3: Die schnellsten Supercomputer Deutschlands

Im internationalen Vergleich kann Deutschland durchaus mithalten. So befinden sich gleich 2 der schnellsten Supercomputer Deutschlands unter den internationalen TOP 10 auf den Plätzen 5 (Hawk an der Universität Stuttgart) und 10 (SuperMUC-NG im Leibnitz-Rechenzentrum in Garching bei München).

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.

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

Aktuell noch im Bau befindet sich Fugaku im Riken Center for Computational Science in Kobe (Japan). Bei seiner Fertigstellung soll es sich dabei um den bis dato energieeffizientesten Supercomputer mit einer Effizienz von 16,876 Gigaflops pro Watt handeln. Insgesamt stehen durch die 36.864 Kerne der A64FX-Prozessoren vom Hersteller Fujitsu knapp 2 Petaflops an Rechenleistung bei einem Energieverbrauch von 118 kW zur Verfügung. Das Besondere am A64FX ist sowohl die ARM-Architektur, welche bereits in vielen mobilen Anwendungen eingesetzt wird. Der Chip wird zudem im 7nm-Verfahren hergestellt, was dessen Energieaufnahme reduziert. Zudem ist in diesem Prozessortyp der RAM in Form von HBM2 (High Bandwith Memory, bis zu 1.024 GB/s schnell) bereits integriert. Insgesamt verrichten 768 dieser Recheneinheiten in zwei Racks ihren Dienst. Der Supercomputer kann dank der breiten Kompatibilität zu diversen Compilern und Bibliotheken verschiedenste Aufgabenstellungen bearbeiten.

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.

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