Fortschreibung eines nat. HPC-Konzeptes Die Rollen von PRACE, GCS und Gauß-Allianz

1. Fortschreibung eines nat. HPC-Konzeptes Die Rollen von PRACE, GCS und Gauß-Allianz Prof. Dr. Heinz-Gerd Hegering Vorstandsvorsitzender GaussCentreforSupercomputing e. V. Vorstand Gauß-Allianz 19. Mai 2011

2. Gliederung • Einleitung • HPC-Situation in Deutschland: Rückblick • GaussCentreforSupercomputing (GCS) e. V. • GCS und PRACE • Gauß-Allianz • Fortschreibung nationales HPC-Konzept

3. Bedeutung von High Performance Computing (HPC) • Modellierung und Simulation stellen Wettbewerbsfaktor dar • für die Weiterentwicklung der Wissenschaften • für die Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen • Simulationen ergänzen Theorie und Experiment in Wissenschaft und Technik • schneller • billiger • umweltschonend • manchmal der einzige Weg • Wissenschaftliches Rechnen und HPC müssen als zusätzliche Methodik • des Erkenntnisgewinns auf der Basis eines nationalen Versorgungskonzeptes gefördert werden (Sicherung des Standortvorteils)

4. Beispiel-Anwendungen • Strömungsdynamik: Optimierung von Turbinen, Tragflächenoptimierung, Lärmreduktion, Klimatisierung in Zügen • Fusionsforschung: Plasma in künftigen Fusionsreaktoren (ITER) • Astrophysik: Entstehung und Entwicklung von Sternen und Galaxien • Festkörperphysik: Supraleitung, Oberflächeneigenschaften • Geophysik: Erdbebenszenarien • Materialwissenschaften: Halbleiter • Chemie: Katalysatorreaktionen • Medizin und Medizintechnik: Blutströmungen, Aneurysmen, Klimatisierung in Operationssälen • Biowissenschaften: Viruseigenschaften, Genom-Analyse • Klimatologie: Ozeanströmungen

5. Begriffe • Wiss. Rechnen: Entwicklung und Einsatz von math. und statistischen Modellen und Verfahren unter Nutzung von Rechnern • Hoch-/Höchstleistungsrechnen (HPC): falls für wiss. Rechnen Systeme niedriger Leistungsstufen (in Bezug auf Prozessor-architektur/-leistung, Prozessoranzahl, Speichergröße/Zugriffs-charakteristik) nicht ausreichen • HPC Capacity Computing: Ziel ist Durchsatzmaximierung vieler Programmläufe mit jeweils beschränkten Ressourcenanforderungen • HPC Capability Computing: Durchführung einzelner, sehr umfangreicher Simulationsprogramme mit Bedarf an sehr hoher Prozessorleistung, hoher Speicherbandbreite und sehr gutem Internnetz

6. WR-Aussagen zum HPC in Deutschland 1995 Empfehlung zur Versorgung von W&F mit Höchstleistungsrechenkapazität 1999 Stellungnahme zur Einrichtung von Zentren für Höchstleistungsrechnen 2000 Empfehlung zur zukünftigen Nutzung von Höchstleistungsrechnern Aussagen: - Höchstleistungsrechenzentren an der Spitze der Versorgungspyramide - Beschaffungsspirale - Schaffung eines nationalen Koordinierungsausschusses ( 2001- 2007 tätig) - Forderung nach HPC-Kompetenznetzwerken - Forderung nach einschlägigen Studiengängen - Absage an eine nachfrageorientierte Steuerung der HLR-Nutzung durch Gebühren - Nutzungszugang aufgrund wissenschaftlicher Beurteilung 2004 Empfehlung zur Einrichtung europäischer Höchstleistungsrechner - Ziel: Konkurrenzsituation zu USA und Japan verbessern - Konzepte: Versorgungspyramide und Beschaffungsspirale übernehmen

7. HPC-Versorgungspyramide Gauss CentreforSupercomputing (GCS) e. V. (Garching, Stuttgart, Jülich) ca. 10 ca. 100 EuropäischeHöchstleistungsrechenzentren (Tier0) Nationale Höchstleistungsrechenzentren (Tier1) 3 Aachen, Berlin, DKRZ, Dresden, DWD, Karlsruhe, Hannover, MPG/RZG, udgl. Thematische HPC-Zentren, Zentren mit regionalen Auf- gaben (Tier2) HPC-Server (Tier3) Hochschule/ Institut

8. Auf dem Weg zu einem nationalen HPC-Konzept (1) Ab 2001 Nationaler Koordinierungsausschuss August 2005 Studie: Petaflops-Computing mit Standort Deutschland im europäischen Forschungsraum (Scientific Case im Auftrag des BMBF) Mai 2006 Gemeinsame Arbeitsgruppe Bayern/Baden-Württemberg: „Konzept für Einrichtung und Betrieb eines Deutsch-Europäischen Zentrums für Höchstleistungsrechnen“ 13. Juli 2006 Pressemitteilung BMBF zum geplanten Verbund der drei Höchstleistungsrechenzentren Juni/Sept. 2006 „Reuter-Kommission“: Studie „HPC in Deutschland – Argumente zur Gründung einer strategischen Allianz“ ab Juli 2006 Arbeiten zur Gründung des GaussCentreforSupercomputing (s.u.)

9. Auf dem Weg zu einem nationalen HPC-Konzept (2) 13.04.2007Gründung des GCS e. V. mit Sitz in Berlin 16.04.2007European MoU PRACE und FP7-Proposal 09.11.2007 der „NatKo“ des WR wird ausgesetzt 16.07.2008MoU zur Gründung der Gauß-Allianz 16.09.2008Verwaltungsabkommen zu GCS zwischen BMBF, BW, BY,NRW Nov. 2008VorhabensantragPetaGCS 03.12.2008Vereinsgründung Gauß-Allianz e. V. mit Sitz Berlin 09.12.2008 Genehmigung Projekt PetaGCS 09.06.2010 Gründung PRACE AISBL 10.02.2011 GCS legt Entwurf zur Fortschreibung d. „Reuter-Papiers“ vor 15.02.2011 Anhörung des Wissenschaftsrates zur Situation des HPC in Deutschland und zur Wiederbelebung des „NatKo“

10. Ziele und Aufgaben des GCS • Nachhaltige Versorgung der computergestützten Wissenschaften in Deutschland und Europa mit HPC-Rechenkapazität der obersten Leistungsklasse • Förderung von Wissenschaft und Forschung durch Gewinnung von neuen technischen Erkenntnissen und Erfahrungen auf dem Gebiet des wissenschaftlichen Supercomputing, insbesondere durch Bündelung der Supercomputer-Ressourcen in den Bereichen Höchstleistungsrechnen und Capability Computing im nationalen, aber auch im europäischen Rahmen. • Koordination der drei nationalen HPC-Zentren. Dies betrifft die Interoperabilität zwischen den Zentren, die Evaluierung und bedarfsgerechte Abstimmung von Rechnerarchitekturen und deren Beschaffungen. Es bedeutet auch die Festlegung einer gemeinsamen Nutzungs- und Zugangspolitik. • Engste Kooperation mit der Gauß-Allianz, die die regionale und themenbezogene HPC-Versorgungsebene in Deutschland umfasst.

11. Gauß-Zentrum für Supercomputing - Ziele - • Ziele nach „außen“ • Stärkung der nationalen Handlungsfähigkeit • Europäische Führerschaft • Höchstleistungsrechnen als Schlüsseltechnologie auf höchstem Niveau für Wissenschaft und Wirtschaft zugänglich machen • Vorsprung von USA und Japan ausgleichen • Führende Beteiligung an PRACE • Ziele nach „innen“ • Erarbeitung eines Betriebs- und Organisationsmodells für GCS • Vorbereitung eines gemeinsamen Finanzierungsmodells Bund/Länder • Abstimmung im Kontext PRACE • Koordinierte Beschaffungsplanung • Koordinierung der Infrastrukturen • Koordinierung von Nutzungszugang und Nutzersupport • Koordinierung von Entwicklungsaktivitäten • Aktives Mitwirken bei der Gründung einer deutschen HPC-Allianz

12. Projektsteuerungskreis 50% Fehlbedarfs- finanzierung BMBF Jeweils 1/6 der Gesamtfinanzierung BY NRW BW Verwaltungsvereinbarung Struktur der Förderung GCS LRZ JSC HLRS Kooperationsvertrag der Forschungspartner

13. Projektphasen 2008 2014 2016 2018ff • Aufbau der Organisation • Einrichtung Geschäftsstelle • Beschaffung von Höchstleistungsrechnern • Einrichtung von Arbeitsgruppen • Implementierung von Prozessen • Ausbau der Infrastruktur und Services • Aufstockung der Systeme • Beschaffungszyklus (jedes Jahr ein neues Höchstleistungssystem) Nachhaltiger Betrieb und Finanzierung Entwicklunsgziele: Service Orientierung , ExascaleCapability

14. GCS-Systeme (für Tier0/1) • @ Jülich: „JUGENE“ • IBM Blue Gene / P auf Basis IBM Power PC 450, 294912 Cores in 72 Racks • Erstes 1 Petaflop-System in Europa, Installation Juli 2009, 1. Lieferstufe • Bisher 5 GCS-Calls • @ Garching: „SuperMUC“ • System von IBM auf Basis Intel-Prozessoren. Ca. 150.000 Cores, IB-FDR, 3 Petaflops, < 4 MW, PUE < 1,1 • Integrationssystem Q3/2011, Gesamtsystem bis 01/2012# • @ Stuttgart: „HERMIT“ • System von Cray auf Basis AMD-Prozessoren und Akzeleratoren • 1. Stufe Q3/2011, 2. Stufe ab Q2/2013 (4 Petaflops)

15. GCS und PRACE (1) • PRACE: PartnershipforAdvanced Computing in Europe Ziel: Aufbau eines europäischen HPC-Ökosystems Auslöser: FP7-Call (2007), Projekt Proposal 17.04.2007 PRACE Consortium: 15 Länder, Principal Partners D, F, GB, E, NL Deutschland vertreten durch GCS GCS ist Principal Partner und Projektkoordinator (Jülich) • Preparatory Phase ab 01.01.2008 – 2010 (20 Mio. Euro) Untersuchungen von organisatorischen, rechtlichen und technischen Alternativen und Voraussetzungen zur Schaffung und zum Betrieb einer europäischen HPC-Infrastruktur

16. GCS und PRACE (2) • Aufgaben der Preparatory Phase (01/2008-06/2010) • Untersuchung von Rechtsformen und Satzungen sowie von Governance-Strukturen für EU-Ebene • Untersuchung zu Finanzierungs- und Betriebsmodellen • Sammlung von Anwendungsanforderungen, Portierung und Skalierung ausgewählter Applikationen • Entwicklung eines Peer-Review-Prozesses • Untersuchung von Architekturen und Herstellern von Petaflop/s-Systemen. Sichtung geeigneter Prototypen und Herstellerkooperationen

17. GCS und PRACE (3) • PRACE First Implementation Project (07/2010 – 06/2012) • Weiterführung und Umsetzungsplanung der Preparatory Phase • Vorbereitung der Gründung einer PRACE Legal Entity (Satzung, Ortswahl, etc.) • Gründung PRACE AISBL in Brüssel am 9.6.2010 • 20 Gründungsmitglieder, davon als Hosting Partner D, E, F, I • Organe sind Council, Director / BoD • Unterstützend: Scientific SteeringCommittee, Access Committee • Hosting Partners „zahlen“ Cycles im Wert von 100 Mio. € / 5 Jahre Offen: Contributors´undUsers´agreements • Vorbereitung PRACE Second Implementation Project (ab 2012) • Weiterführung Untersuchungen Finanzierungs- und Betriebsmodelle • Einbindung Tier1-Systeme • Integration DEISA, Industrie-Kooperationen (STRATOS)

18. Gauß-Allianz (1) • Mit GCS sind Tier 0/1 abgedeckt, aber nicht Tier 2/3 • Tier2 umfasst regional bedeutende und thematisch gewidmete Systeme. Ein Großteil wird über GG 91 b PSL finanziert Ein koordinierter Zusammenschluss solcher Zentren fehlte. • Es geht auch nicht nur um HPC-Systeminfrastrukturen, sondern auch um • HPC-Forschung • Nutzerunterstützung • Erschließung neuer Anwendergruppen • Ausbildungsaspekte • Berücksichtigung der gesamten Versorgungspyramide Gauß-Allianz

19. Gauß-Allianz (2) • MoU zur Gründung der Gauß-Allianz, unterzeichnet von 12 Institutionen am 18.06.2008 bei ISC in Dresden • Gründung der Gauß-Allianz e. V. am 03.12.2008 mit Sitz Berlin • Ordentliche Mitglieder: GCS, RWTH Aachen, TU Darmstadt, TU Dresden, ZIB Berlin, RRZN Hannover, KIT Karlsruhe, RZG Garching, DWD, DKRZ • Assoziierte Mitglieder: DFN, RRZE Erlangen, Uni Frankfurt, DESY, Heinz-Nixdorf-Institut Paderborn • Mitwirkung an den BMBF-Calls „HPC-Software für skalierbare Parallelrechner“ 2007/2010 • Gauß-Allianz nimmt im Rahmen EGI Aufgaben der NGI-DE wahr

20. Fortschreibung HPC-Konzept (1) • Ausgangspunkt • „Reuter-Papier“ stammt von 2006 • Seitdem viel verändert: GA, GCS, PRACE, Calls, DGI, EGI, Ende HBFG, NatKoausgesetzt • GCS aufgefordert, Gedanken zu einer HPC-Fortschreibung zu machen • GCS legt Papier dem Projektsteuerkreis PetaGCS vor (10.02.2011) • Papier wurde verteilt an WR, DFG, Gauß-Allianz, Länderreferenten • WR-Anhörung am 15.02.2011 • Zur Zeit Diskussionen zum Papier und weiteren Vorgehen

21. Fortschreibung HPC-Konzept (2) • Titel: High Performance Computing in Deutschland – Gedanken zur Fortschreibung eines nationalen HPC-Konzeptes • Gliederung • Einordnung des Papiers • Stand des nationalen und europäischen Versorgungskonzeptes (Pyramide, GCS, GA, PRACE und Zugang) • HPC-Entwicklungen und Herausforderungen der Zukunft (Anwendungssicht, Systemsicht, Datensicht) • HPC-Forschung und Kompetenznetzwerke • Ausbildung • Industrie und Höchstleistungsrechnen • Beschaffung, Finanzierung • Handlungsempfehlungen

22. Fortschreibung HPC-Konzept (3) Handlungsempfehlungen • HPC-Versorgungskonzept längs einer Leistungspyramide • HPC-Pyramide ist sachgerecht und hat sich bewährt • Jederzeit in D mindestens ein Spitzensystem. Mitarbeit bei Exascale angeraten • Notwendigkeit einer funktionierenden Ebene 1 mit Architekturvielfalt • Notwendigkeit einer flächendeckenden Tier2-Versorgung • HPC wird vielfältiger: ComputationalSteering, Real-Time Computing, Data-Intensive Computing

23. Fortschreibung HPC-Konzept (4) Handlungsempfehlungen • HPC-Forschung und Ausbildung • Stärkung der HPC-Methodenwissenschaften • Stärkung der Tools für HPC-SW-Entwicklung und den HPC-Betrieb • Anpassung von HPC-Applikationen an neue Architekturen inkl. Skalierung • Fortsetzung der BMBF-HPC-SW-Calls • Förderung von HPC-Kompetenzzentren und Simulation-Labs • Stärkung der HPC-relevanten Ausbildungsangebote • Verstärkte Kooperationen mit der Industrie

24. Fortschreibung HPC-Konzept (5) Handlungsempfehlungen • Organisation und Gremien • Koordination von Tier0/1 durch GCS hat sich bewährt • Verstärkte Koordination in Tier2 unter starker Beteiligung der GA erforderlich • Engere Zusammenarbeit GA und GCS ist angeraten, insbesondere bei Anwenderunterstützung, Lösungsentwicklung, Ausbildung, Öffentlichkeitsarbeit, Beratung • Organisationsform von GA und GCS angemessen. GA wird ein „Nutzer-Beirat“ empfohlen

25. Fortschreibung HPC-Konzept (6) Handlungsempfehlungen • Finanzierungsbedarf • Zu Ebene 0/1: bisheriges Fördervolumen sollte nachhaltig abgesichert werden • Zu Ebene 2: Mittel bisher zu knapp, sollten keine Bauten i.e.S. enthalten • Zur HPC-Forschung: ca. 20 Mio. jährlich • Länder werden ermutigt, Mittel für Simulation-Labs und Kompetenzzentren bzw. –netzwerke bereitzustellen

26. Fazit • Die WR-Empfehlungen von 2004, die BMBF-Initiativen und das Reuter-Papier haben in den letzten Jahren viel bewegt • Die HPC-Situation in D ist verbessert worden, aber die anderen Länder schlafen nicht • Die Nachhaltigkeit der Maßnahmen der letzten Jahre ist nicht gesichert • Deutschland muss in Europa an der Spitze bleiben. HPC bleibt ein wichtiger Wettbewerbsfaktor