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Rechnen mit dem Faktor Energie

Lange interessierte bei Computern ausschließlich, wie schnell sie rechneten. Inzwischen zählt auch, wie viel Energie sie dafür verbrauchen. Eine wichtige Rolle spielt der Stromverbrauch in Rechenzentren und Serverfarmen, die das rasant wachsende Datenaufkommen des Internets bewältigen. Sie verbrauchen längst mehr Energie als der weltweite Flugverkehr. Jülicher Forscher arbeiten auf vielfältige Weise an der "grünen" Informationstechnologie der Zukunft.

Energiehungrige Chips

Auf das Konto der Informations- und Kommunikationstechnologie gehen mehr als zehn Prozent des deutschen Energieverbrauchs – Tendenz steigend. Denn elektronische Geräte bestimmen zunehmend unseren Alltag. Die Chips darin werden ständig leistungsfähiger und damit wächst ihr Energiehunger.

Nach energiesparenden Auswegen suchen Jülicher Forscher auf verschiedenen Ebenen: bei winzigen Bauelementen ebenso wie bei der Rechnerarchitektur und beim Energiemanagement von Supercomputer-Zentren.

Neue Materialien im Blick

Die herkömmliche Siliziumtechnologie, mit der Chips bisher gefertigt werden, kommt nach und nach an ihre Grenzen. Neue elektronische Materialien versprechen revolutionäre Fortschritte für die nächsten Computergenerationen. Sie weisen ungewöhnliche Effekte wie Multiferroizität, memristives Verhalten oder Spintronik auf, die aktuell intensiv erforscht werden. Viele dieser Eigenschaften wurden erst in den vergangenen Jahren entdeckt und lassen sich zunehmend besser kontrollieren. Prozessoren und Speicherelemente, die diese Phänomene nutzen, könnten deutlich schneller und energiesparender arbeiten als aktuell eingesetzte Komponenten.

Obwohl sich die Ansätze und Anwendungen stark unterscheiden, ähneln sich die Materialien sehr. In der Regel handelt es sich – aufgrund ihrer chemischen Stabilität als auch der vielfältigen elektronischen Effekte – um Metalloxide und sogenannte höhere Chalkogenide.

Memristoren: energiesparende Speicher im Miniaturformat

Ein innovatives Konzept für die Chip-Konstruktion künftiger Rechner beinhaltet neuartige Baukomponenten, Memristoren, die auf besondere Weise miteinander verschaltet werden. Sie sind Forschungsschwerpunkt der Jülicher Arbeitsgruppe um Prof. Rainer Waser vom Peter Grünberg Institut (PGI-7 / Elektronische Materialien), ihre Ergebnisse erschienen unter anderem im April 2010 im Fachmagazin "Nature Materials".

Memristoren sind winzige elektronische Bauelemente, deren elektrischer Widerstand durch ultrakurze Spannungspulse zwischen einem hohen und einem niedrigen Wert hin und her zu schalten ist. Sie sind als schnelle Speicher interessant, in denen sich die Daten im Gegensatz zu heute üblichen Arbeitsspeichern nicht beim Ausschalten des Computers verflüchtigen. Und solche memristiven Speicher hätten noch einen andere Vorteil. Ihre Schreibenergie beträgt weniger als ein Hundertstel im Vergleich zu heutigen FLASH-Speichern, zum Beispiel in USB-Sticks.

Mit memristiven Schalter ließen sich Informationen nicht nur speichern, sondern im Vergleich zu herkömmlichen Transistoren auch sehr effizient verarbeiten. Der Energiesparvorteil entsteht unter anderem durch die Kombination von Arbeitsspeicher und eigentlicher Recheneinheit, die normalerweise voneinander getrennt sind und viel Energie und Rechenzeit benötigen, um miteinander zu kommunizieren.

Memristoren können darüber hinaus nicht nur zwischen Null und Eins unterscheiden, sondern verfügen über eine ganze Bandbreite an Zwischenzuständen. Dies eröffnet ganz neue Möglichkeiten. So ließen sich mit memristiven Zellen neuronale Netze nach dem Vorbild lebender Neuronen, – also Nervenzellen – nachbilden, die Informationen nach völlig anderen Prinzipien verarbeiten als gewöhnliche Prozessoren. Und das bei einer sehr hohen Energieeffizienz.

Rechnerarchitekturen für Superrechner

In fast allen Forschungsbereichen haben Supercomputer ihren festen Platz eingenommen als Ergänzung zu Theorie und Experiment. Mit dem Erkenntnisfortschritt steigt auch der Bedarf an Rechenkapazitäten für Simulationen, etwa um biologische Organe zu modellieren, vielschichtigere Klimamodelle zu berechnen oder Strukturen komplex aufgebauter Materialien zu erforschen.
Die Wissenschaftler des Jülich Supercomputing Centre (JSC) kooperieren mit Firmen wie IBM und Intel, um bis 2020 Supercomputer für die Forschung zu realisieren, die eintausendmal schneller sind als JUGENE – und damit Rechenleistungen von über einem Exaflop/s erreichen können, das sind eine Trillion Operationen pro Sekunde: 1.000.000.000.000.000.000.
Dabei sollte ein Rechner dieser Klasse deutlich energieeffizienter arbeiten als die heutigen, denn sonst müsste eigens für einen solchen Rechner ein Kraftwerk gebaut werden. Idealerweise sollte die Energieeffizienz um den Faktor Tausend verbessert werden. Zentrale Aspekte bei der Entwicklung eines solchen ökologisch sowie wirtschaftlich vertretbaren Superrechners sind neue Konzepte für die Rechnerarchitektur, für die Software und für die Kühlung.

Hier arbeitet das Forschungszentrum mit verschiedenen Partnern zusammen, die unterschiedliche alternative Hardware- und Software-Konzepte verfolgen. Gemeinsam mit IBM unterhält Jülich das Exascale Innovation Centre (EIC); und im europäischen Rahmen koordiniert Jülich das EU-Projekt DEEP (Dynamical ExaScale Entry Platform) mit den Firmen Intel, ParTec und 12 weiteren europäischen Partnern aus acht Ländern. Das Projekt, das im Dezember 2011 startete, wird von der Europäischen Kommission mit acht Millionen Euro gefördert.

Dem DEEP-Projekt zugute kommt die bereits seit 2010 bestehende, enge Zusammenarbeit zwischen Jülich, Intel und ParTec im Rahmen des ExaCluster Laboratory, die sich auf neuartige Systemarchitekturen und Softwarewerkzeuge speziell für Cluster-Rechner konzentriert.

Im Rahmen des Projekts "Fit4Green", an dem Jülich ebenfalls beteiligt ist, ist eine Software entstanden, die nicht genutzte Komponenten von Supercomputern automatisch abschaltet. So benötigen die Rechner 6 bis 16 Prozent weniger Energie als normalerweise, um ihre Aufträge abzuarbeiten. Das Tool kann auch bei großen Servern, etwa für das Cloud Computing, eingesetzt werden, hierbei können bei verteilten Rechenstrukturen noch höhere Einspareffekte erzielt werden.

Im Juni 2012 ging der neue Jülicher Superrechner JUQUEEN ans Netz. Mit seinen 131.072 Rechenkernen kommt er auf eine Spitzenleistung von 1,6 Petaflops. JUQUEEN, der im Laufe dieses Jahres noch weiter ausgebaut wird, verfügt über eine IBM-BlueGene/Q-Architektur. Superrechner dieses Typs belegen mit rund zwei Gigaflop/s pro Watt derzeit den ersten Platz der Green500-Liste der energieeffizientesten Supercomputer der Welt. Jülicher Wissenschaftler testen die neue Reihe seit den ersten Prototypen und arbeiten im Exascale Innovation Centre zusammen mit Kollegen von IBM daran, künftige Systeme effizient für wissenschaftliche Zwecke zu nutzen.

Doch leistungsstärker als jeder Hochleistungscomputer bei spektakulär niedrigem Energieverbrauch von etwa 30 Watt - das ist weniger als der einer klassischen Glühbirne - ist nach wie vor das menschliche Gehirn. Seine Rechenleistung basiert vor allem auf vielen parallelen Verbindungen von Nervenzellen, den Neuronen. Ein tieferes Verständnis dieses menschlichen Organs - mithilfe von Simulation an Supercomputern - könnte helfen, die natürliche Energieeffizienz des menschlichen Gehirns auf Rechner zu übertragen.

Mehr Informationen

Neue Materialien:

Memristoren und den Ergebnissen der Arbeitsgruppe um Prof. Waser (Pressemitteilung vom 18. April 2010)
Artikel in Nature Materials: "Complementary resistive switches for passive nanocrossbar memories"
Peter Grünberg Institut – Elektronische Materialien (PGI-7)

JUQEEN:

Profilseite JUQUEEN (Jülich Supercomputing Centre)
Jülich Supercomputing Centre
Jülicher Forschung mit Supercomputern

Zusammenarbeit mit Partnern:

Pressemitteilung zum Start des Exascale-Projekt DEEP (15.11.2011)
Website DEEP-Project
Pressemitteilung zur Gründung des Exascale Innovation Centre (22.03.2010)
Video: 1st Jülich Lecture: "Overcoming the barriers to Exascale through Innovation" - Stephen S. Pawlowski (Intel)
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