Gewöhnliche Computer oder Laptops können gängige Aufgaben ohne Probleme erledigen. Doch sobald die notwendigen Rechnungen eine gewisse Komplexität erreichen, können handelsübliche Geräte nicht mehr genug Rechenleistung aufbringen. Hier kommen dann sog. Supercomputer ins Spiel.
Was sind Supercomputer?
Gewöhnliche Heimcomputer sind mit einer einzelnen zentralen Verarbeitungseinheit, einer CPU (Central Processing Unit), ausgestattet. Diese CPU ist ein programmierbares Rechenwerk, das anhand von Befehlen Aktionen ausführen oder andere Maschinen und Schaltungen steuern kann. Eine einzelne CPU bringt genug Rechenleistung auf, um die gewöhnlichen alltäglichen Aufgaben, wie z.B. gängige Programme ausführen und im Internet surfen, zu erledigen. Doch je komplexer die Rechenaufgaben sind, um so mehr Rechenleistung muss vorhanden und um so leistungsstärker muss die Verarbeitungseinheit sein. Darum kommen bei hoch komplexen Aufgaben sog. Supercomputer zum Einsatz.
Im Gegensatz zu gängigen Heimcomputern arbeiten Supercomputer darum mit mehr als nur einer CPU. Etliche CPUs sind bei Supercomputern in sog. Rechenknoten angeordnet, wobei bis zu Zehntausend solcher Knoten enthalten und mit einander verbunden werden können. Vorteil daran ist, dass die Menge der CPUs so ihre individuelle Rechenleistungen kombinieren und sich gemeinsam einer komplexen Aufgabe widmen kann. Dafür werden Teil-Aufgaben auf die Knoten verteilt, welche dann parallel abgearbeitet werden können.
Rechengeschwindigkeit
Die Leistungsfähigkeit von Computern wird in Floating Point Operations Per Second, oder kurz FLOPS, angegeben. Damit wird angezeigt, wie viele Gleitkommaoperationen pro Sekunde vorgenommen werden können. Wie der Name schon sagt, arbeiten diese Operationen mit Gleitkommazahlen und werden verwendet, um mit gebrochenen Zahlen oder Zahlen in größeren Zahlenräumen zu rechnen. Je mehr FLOPS ein Computer hat, um so schneller ist dieser also.
Der derzeit schnellste Supercomputer der Welt steht in Japan. Der Fugaku vom RIKEN Center for Computational Science erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von 442 PFLOPS (1015 FLOPS). Auf Platz zwei und drei kommen IBMs Summit und Sierra. Allerdings kommen diese zwei Supercomputer nicht mal kombiniert an die Leistung des Fugaku heran. Der Summit erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von 148 PFLOPS und der Sierra von 94 PFLOPS. Unter den Top 10 der schnellsten Supercomputer befindet sich auch ein deutscher Supercomputer. Auf Platz 8 und mit einer Geschwindigkeit von 44 PFLOPS findet sich der JUWELS Booster Module vom Forschungszentrum Jülich. Allerdings bedarf die Liste der Top Computer eine kontinuierlich Anpassung, da die mögliche Rechenleistung über die Jahre hinweg exponentiell steigt. Es ist also davon auszugehen, dass wir in Zukunft noch schnellere und leistungsstärkere Supercomputer sehen werden.
Um die Geschwindigkeiten der Computer etwas nachvollziehbarer zu machen: 1 PFLOPS sind ca. 1 Billarden Rechenoperationen pro Sekunde. 1,75 PFLOPS entsprechen in etwa der Rechenleistung von ca. 50.000 Notebooks. Der Fugaku hat ca. 252 mal mehr PFLOPS, was dann ca. 12.600.000 Notebooks entsprechen würde.
Verwendung
Supercomputer werden dann eingesetzt, wenn hoch komplexe Rechnungen vorgenommen werden müssen, die enorme Rechenleistungen bedürfen. Solche Rechnungen sind häufig in der Forschung notwendig, um genaue Simulationen von detailreichen Zusammenhängen mit vielen Abhängigkeiten und Nebenbedingungen zu erstellen. Forschungsbereiche, in denen Supercomputer u.a. häufig Anwendung finden, sind demnach Biologie, Chemie, Medizin, Klimaforschung und Physik.
So können bspw. in der Onkologie mithilfe von Supercomputern umfassende Daten verarbeitet werden, um unbekannte Muster und unerwartete Zusammenhänge bei Krebserkrankungen zu erkennen. In der Klimaforschung können Supercomputer immer genauere Klimasimulationen erstellen, die mehr und mehr Details und Parameter miteinbeziehen können. Auch in der Corona-Pandemie konnten die Rechner einen substantiellen Beitrag leisten, in dem diese die Verbreitung des Virus modellieren konnten aber auch die genaue Erforschung von Molekülen ermöglichten, die für die Entwicklung von Impfstoffen relevant sind.
Ohne Supercomputer würden diese Simulationen und Berechnungen entweder deutlich viel mehr Zeit dauern oder gar nicht erst möglich sein.
Nachteile
Um so viel Rechenleistung zu erreichen, bedarf es sehr viel Hardware. Dies führt dazu, dass Supercomputer vergleichsweise viel Platz benötigen. Ebenso ist die Erstellung und Anschaffung von den Mega-Rechnern recht teuer. Ein Supercomputer kann mehrere hundert Millionen Euro kosten. Bedenkt man nun noch, dass die meisten Supercomputer nach wenigen Jahren bereits überholt sind und Aufrüstung gebrauchen könnten, sind die Kosten insg. noch viel höher.
Nachteilhaft ist auch, dass die Maschinen sehr viel Energie benötigen. Ein einzelner Supercomputer verbraucht oftmals genau so viel Strom wie ganze Kleinstädte. Auch das führt verständlicherweise dazu, dass die Betriebskosten für die Rechner enorm sind.
Ebenso kommen auch Supercomputer irgendwann an ihre Grenzen. Ja, es gibt sogar Probleme, die nicht mal Supercomputer zufriedenstellend lösen können. Doch bis wirklich funktionstüchtige und verlässliche Quantencomputer entwickelt wurden, werden Supercomputer der Status-quo bei komplexen Berechnungen bleiben. Darum ist auch davon auszugehen, dass die Anzahl der weltweit vorhandenen Supercomputer in Zukunft noch weiter ansteigen wird.
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Richtig spannend sind auch unsere weiteren Blog-Beiträge. Hier z.B. Teil 1 unserer Reihe zu Brain-Computer Interfaces.
