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Schneller rechnet keiner: Die Königin der Computer


Im Forschungszentrum Jülich steht JUQUEEN, der schnellste Computer Deutschlands. Doch der Thron der Königin wackelt: Ein paar Jahre noch, dann wird sie dem Henker vorgeführt und durch ein schnelleres System ersetzt. Ich habe vorher um Audienz gebeten.

Kopfrechnen ist meine Sache nicht. Um größere Zahlen miteinander zu multiplizieren, brauche ich Stift, Zettel und eine gute Minute Bedenkzeit. Deutlich fixer geht es im Kopf jener Dame zu, mit der ich mich heute verabredet habe. 5,9 Billiarden solcher Berechnungen schafft mein Date in einer einzigen Sekunde – schneller rechnet niemand in Deutschland. Da kann einem Mathe-Legastheniker schon einmal das Herz in die Hose rutschen – auch wenn statt blauem Blut Strom durch JUQUEENs Adern fließt.

Das Reich der elektronischen Königin, das Forschungszentrum Jülich, liegt eine halbe Autostunde von der niederländischen Grenze entfernt. Mit 2,2 Quadratkilometern umspannen die Anlagen ein Gebiet so groß wie das Fürstentum Monaco. Für den unbeleckten Besucher muss es ein seltsamer Anblick sein: Ringsherum wuchern die Buchen, Eichen und Eschen des Stetternicher Forsts, Spechte hacken ihre Behausungen ins Holz – und plötzlich öffnet sich der Wald und gibt den Blick frei auf eine kleine Stadt mit über 160 Gebäuden, einem eigenen Straßennetz, sechs Bushaltestellen, einer Werksfeuerwehr und einer Großmensa, in der täglich mehr als 5500 Mitarbeiten verköstigt werden. Ende der 1950er wurde das Gelände als Atomforschungsanlage aus dem Boden gestampft. Heute forscht man hier lieber an anderen Dingen.

Nüchtern, aber leistungsstark: JUQUEENs wahre Schönheit liegt im Inneren. © Jens Wiesner

Nüchtern, aber leistungsstark: JUQUEENs wahre Schönheit liegt im Inneren. © Jens Wiesner

Zum Glück habe ich rechtzeitig um Audienz gebeten, sonst hätte meine Reise schon am Eingangstor ein frühes Ende gefunden. Ein hoher Zaun umgibt das Forschungsgelände von allen Seiten. Unangemeldet in JUQUEENS Thronsaal spazieren – das geht nicht. Und wer der Königin mehr als einen Höflichkeitsbesuch abstatten möchte, wer ihren klugen Kopf um Rat fragen will, um seine eigenen Forschungen voranzutreiben, der muss sich zunächst in einem langen Bewerbungsverfahren als würdig erweisen. Doch selbst ich, der einfach nur herein schnuppern möchte, der keine Antworten zur Entstehung des Universums, zum Aufbau des menschlichen Gehirns oder zur Staubproblematik auf Deutschlands Autobahnen verlangt, werde nicht sofort in den Thronsaal vorgelassen. Zuvor möchte mir Norbert Attig noch ein wenig von JUQUEENS inneren Werten erzählen.

JUQUEEN, JUREKA, JUGENE - "Langsam gehen uns die Namen aus", sagt Norbert Attig © Jens Wiesner

JUQUEEN, JUREKA, JUGENE – „Langsam gehen uns die Namen aus“, sagt Norbert Attig © Jens Wiesner

Der stellvertretende Institutsleiter des Jülich Supercomputing Centre (JSC) ist ein Mann um die 50, schlank, Schnauzbart, die Haare grauschwarz, die Haut gebräunt, der Händedruck fest. Attig hat sie alle kommen und gehen sehen, die Supercomputer der vergangenen 30 Jahre – vom ersten Bootvorgang bis hin zu ihrer Verschrottung. Und Supercomputer, so erfahre ich, sterben früh.

Nehmen wir JUGENE: Nur vier Jahre lang stand JUQUEENs direkter Vorgänger im Dienst des Forschungszentrums, bis die Stecker für immer gezogen wurden. Bei Anschaffungs- und Betriebskosten von mehreren Dutzend Millionen Euro klingt das nach heilloser Verschwendung – ist aber tatsächlich wirtschaftlich. „Die Entwicklung schreitet so schnell voran, dass ein neues System nicht nur um ein Vielfaches schneller rechnet, sondern auch deutlich energieeffizienter arbeitet“, erklärt mir Attig. Ich überschlage im Kopf: JUQUEEN wurde 2012 in Betrieb genommen, heute haben wir 2015 … mein Date befindet sich also gerade in den Wechseljahren!

Doch noch steht er nicht fest, der Tag, an dem die Königin ihren Thron räumen muss. Und noch darf sich JUQUEEN die schnellste Rechenkünstlerin Deutschlands schimpfen. Dumm nur, dass meine Vorstellungskraft an klare Grenzen stößt, als mir Attig mehr über ihre Fähigkeiten verraten will: Zahlen und Maßeinheiten fliegen durch die Luft, so groß, so unbekannt, dass mir ganz schummrig wird: Was zur Hölle sind Petaflops und Gleitkommaoperationen? Ist ein Stromverbrauch von 1,8 Megawatt bei Vollauslastung niedrig oder hoch? Und wie viele Nullen hat eigentlich eine Billiarde? Ich fühle mich zurückversetzt in den verhassten Matheunterricht, sehe das strenge Gesicht von Herrn Külker vor mir.

Teile und forsche: Dass eine einzige Anwendung JUQUEENs volle Rechenpower beansprucht, kommt nur sehr selten vor. © Jens Wiesner

Teile und forsche: Dass eine einzige Anwendung JUQUEENs volle Rechenpower beansprucht, kommt nur sehr selten vor. © Jens Wiesner

Aber es hilft ja nichts. Reisen wir zum besseren Verständnis also zurück in die Vergangenheit, genauer gesagt ins Jahr 1937: Damals hatte der deutsche Computerpionier Konrad Zuse gerade seinen ersten frei programmierbaren Rechner fertiggestellt. Um eine simple Rechenaufgabe (plus/minus/mal/geteilt) mit großen Zahlen und Kommastellen zu lösen, benötigte Z1 ungefähr eine Sekunde. An diesem Wert orientiert sich die Leistungsmessung für Computersysteme bis heute. Man misst in Flops, also in Gleitkommaoperationen pro Sekunde (Floating Point Operations Per Second). Flops sind für den Computer also das, was die PS-Zahl für Autos ist: Ein Geschwindigkeitsindikator, der übrigens viel genauere Ergebnisse liefert, als würde man nur von der reinen Prozessortaktung ausgehen. Die ist bei JUQUEEN auch alles andere als rekordverdächtig. „Die einzelnen Rechenkerne sind für sich genommen langsamer als in einem handelsüblichen Laptop“, erklärt mir Attig. „Der Schwarm macht die Musik.“ Und dieser Schwarm kann sich sehen lassen: 458.752 Herzen – Verzeihung: Prozessorkerne – schlagen in JUQUEENs Brust.

Nun aber genug der Fakten. Ich drängele voran, möchte sie endlich sehen, die Dame, die schneller rechnet als Lucky Luke seine Pistolen aus dem Halfter zieht. Wie es sich für einen echten Thronsaal gehört, muss ich zunächst durch ein Vorzimmer. „Gehörschutz tragen!“ fordert ein Piktogramm auf der karminroten Eingangstür die Besucher auf, rechts daneben mahnt ein Schild zum richtigen Verhalten im Fall eines Brandes: Die Worte „Argon-Löschanlage“ und „Lebensgefahr“ brennen sich in mein Gehirn. Egal. Ich folge Norbert Attig durch die schwere Tür, betrete eine große Halle und sehe… Kleiderschränke.

Königin, öffne dich! © Jens Wiesner

Königin, öffne dich! © Jens Wiesner

Natürlich weiß ich, dass in den 28 schwarzen Metallschränken, die in 7er-Reihen Seit‘ an Seit‘ beisammen stehen, keine Hosen und Röcke gelagert werden. Aber es ist die erste Assoziation, die mir in den Sinn kommt, als ich JUQUEEN betrachte. Von außen macht die Königin – Verzeihung, Eure Majestät! – wenig her: Bildschirme fehlen ebenso wie Tastaturen und Computermäuse. Vergeblich schaue ich mich auch nach anderen Menschen um.

Nein, in JUQUEENs Thronsaal wuseln keine Wissenschaftler durch die Reihen, rufen „Heureka“, während sie ihre neuste Hypothese bestätigt sehen oder brechen in Tränen aus, wenn die Königin ihren Forschungen einen Strich durch die Rechnung macht. „Die Anwender können ihre Programme auf dem Rechner aus der Ferne steuern“, erklärt mir Attig und muss seine Stimme ein wenig erheben. Ich verstehe: Durch das ständige Rauschen der Belüftungssysteme ist es einfach zu laut. Wer will schon täglich an einem Ort forschen, an dem man sich ständig anbrüllen muss?

Gut versteckt: Unter den Bodenplatten liegen JUQUEENs Lebensadern. © Jens Wiesner

Gut versteckt: Unter den Bodenplatten liegen JUQUEENs Lebensadern. © Jens Wiesner

Sensoren schlagen innerhalb von Millisekunden Alarm, wenn mit JUQUEEN etwas nicht in Ordnung ist. © Jens Wiesner

Sensoren schlagen innerhalb von Millisekunden Alarm, wenn mit JUQUEEN etwas nicht in Ordnung ist. © Jens Wiesner

Denn JUQUEENs begnadete Rechenkunst kommt zu einem Preis: Die Königin ist ein ausgesprochener Hitzkopf. Und wehe, sie bekommt nicht ihren Willen, wenn ihr nach kalter Luft, ausreichend Strom und kühlem Wasser gelüstet! Dann kann es im Thronsaal schon einmal so laut werden, als würde man direkt neben einer Flugzeugturbine stehen.

Manfred Eckers sorgt dafür, dass das nicht passiert. Der technische Leiter des JSC ist seit einem Vierteljahrhundert im Forschungszentrum – und liest der Dame jeden Wunsch von ihren Lippen – Verzeihung: den Sensoren – ab. „Eine große Zicke ist die Maschine aber nicht“, lobt er. Denn schließlich verlangt JUQUEEN nur, was alle Supercomputer brauchen. Die immer schnelleren Großrechner vor dem Überhitzen zu bewahren bzw. den immensen Stromverbrauch für die Kühlsysteme zu reduzieren, ist eine der größten Herausforderungen der Computerentwickler: JUQUEEN verbraucht bei Vollauslastung so viel Strom wie 4000 Haushalte – und das ist verhältnismäßig wenig!

Sensoren schlagen innerhalb von Millisekunden Alarm, wenn mit JUQUEENs etwas nicht in Ordnung ist. Auf seinen täglichen Rundgang will Manfred Eckers trotzdem nicht verzichten. © Jens Wiesner

Allen Sensoren zum Trotz: Auf seinen täglichen Rundgang will Manfred Eckers  nicht verzichten. © Jens Wiesner

Wie kompliziert diese Aufgabe tatsächlich ist, wird mir erst bewusst, als ich in die Katakomben unter dem Thronsaal hinabsteige. Mannshohe Wassertanks, dicke Kabel, Turbinen und Rohre mit fußballgroßem Durchmesser schlängeln sich durch den gefühlt größten Heizungskeller der Welt. Nur dass hier alles auf Kühlung getrimmt ist. Drei zentrale Kaltwasserwerke gibt es auf dem Campus des Forschungszentrums, verrät mir Eckers, während wir durch die verschiedenen Kellerräume schlendern. Hier und dort hält er an, prüft die Temperaturanzeigen und bittet mich, mit meinen Händen die Rohre zu befühlen. Tatsächlich, man spürt den Unterschied: 18 Grad Celsius hat das Wasser, wenn es von hier unten in den Thronraum gepumpt wird. Im Großrechner selbst sorgt ein Netzwerk aus feinen Mikrokanälen dafür, dass es direkt zum Prozessor gelangt – dorthin, wo die Abwärme entsteht. Fließt das Wasser schließlich in den Keller zurück, ist merklich heißer geworden – neun Grad heißer, um genau zu sein.

Im Keller: Mächtige Rohre pumpen Kühlwasser in den Computerraum. © Jens Wiesner

Im Keller: Mächtige Rohre pumpen Kühlwasser in den Computerraum. © Jens Wiesner

Sensoren schlagen innerhalb von Millisekunden Alarm, wenn mit JUQUEENs etwas nicht in Ordnung ist. Auf seinen täglichen Rundgang will Manfred Eckers trotzdem nicht verzichten. © Jens Wiesner

Gut versteckt: Im 90-Zentimeter-hohen Zwischenboden sind Kabel und Rohre versteckt. © Jens Wiesner

„JUQUEEN wird fast vollständig mit Wasser gekühlt – und ist dadurch fünfmal energieeffizienter als sein Vorgängermodell“, verrät mir Eckers. Ich ahne, dass er diese Eigenschaft noch ein wenig mehr schätzt als JUQUEENs Geschwindigkeitsrekord. „Aber stolz macht einen so ein Rekord irgendwie schon“, gibt er zu, als wir wieder zurück im Tageslicht stehen. Trotzdem: Vermissen wird Eckers die Königin nicht, wenn in ein paar Jahren ihre Stecker gezogen werden. „Da überwiegt doch die Neugier auf das, was die neuen Systeme können.“ Tatsächlich liegt der nächste große Durchbruch schon in Reichweite: In ein paar Jahren könnte die Exascale-Grenze geknackt werden. Ein solcher Rechner käme dann auf 1000 Petaflops – und wäre 170 Mal schneller als JUQUEEN. So schnell wird aus einer Königin eine Schildkröte.


Erschienen als Teil 3 meiner Serie “Deutschland extrem” auf dbMobil am 15. Juni 2015.

 

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