Helmholtz GPU Hackathon 2025 – mit Hacking Richtung JUPITER
Vom 1. bis 11. April 2025 veranstaltete das Jülich Supercomputing Centre (JSC) des Forschungszentrums Jülich den Helmholtz GPU Hackathon 2025, an dem 52 Forschende, Entwickler:innen und Datenwissenschaftler:innen aus Helmholtz-Instituten und darüber hinaus teilnahmen. Der Hackathon, der sich mittlerweile als Highlight im Helmholtz-Kalender etabliert hat, konzentriert sich weiterhin auf die Optimierung und Beschleunigung komplexer HPC-Anwendungen, wobei nun auch KI-Codes mit einbezogen werden. Ein Schwerpunkt lag diesmal auf den Vorbereitungen für den Exascale-Rechner JUPITER.
Die Veranstaltung wurde in Zusammenarbeit mit Helmholtz HIDA, NVIDIA und der OpenACC Organization im Rahmen des Open Hackathons-Programms organisiert und verlief in zwei wesentlichen Phasen: einem virtuellen Kickoff, gefolgt von einer Woche intensiver Zusammenarbeit vor Ort in Jülich.
Hacken, Zusammenarbeiten, Beschleunigen: Eine Hackathon-Woche am JSC
Der Hackathon begann offiziell mit zwei virtuellen Onboarding-Sitzungen am 25. März und 1. April, die als Einführungstreffen mit allen Teams und Mentor:innen dienten. Diese vorbereitenden Treffen boten allen Teilnehmenden die Gelegenheit, sich miteinander zu vernetzen, einander kennenzulernen und ihre Codes auf das Kommende vorzubereiten. So wurde die ideale Grundlage für die Präsenz-Hackathon-Woche geschaffen.
Nachdem die Teams feststanden, verlagerte sich das Geschehen vor Ort zum JSC, wo sich die Teilnehmenden vom 8. bis 11. April persönlich trafen – vier Tage intensiver, praxisorientierter GPU-Entwicklung.
Jeder Tag stand im Zeichen der gemeinsamen Arbeit am Code, begleitet von kurzen Teampräsentationen, in denen Fortschritte und Erkenntnisse geteilt wurden. Die enge Zusammenarbeit zwischen Mentor:innen und Teilnehmenden machte die Veranstaltung nicht nur besonders produktiv für die Teams, sondern auch bereichernd für die offene wissenschaftliche Gemeinschaft.
„Gemeinsam mit unseren Mentor:innen untersuchte unser Team potenzielle Engpässe und verschiedene Portierungsansätze, darunter NVIDIA CUDA und OpenACC. Dadurch konnten wir zwei Module mit rechenintensiven Funktionen um den Faktor 1,5 beschleunigen“, berichtet Dr. Martin Kühn, Leiter einer Forschungsgruppe und Hauptentwickler des Software-Frameworks MEmilio.
„Wir haben den Hackathon mit einem tieferen Verständnis unseres Codes und vielen Ideen für die zukünftige Weiterentwicklung verlassen.“
Von Galaxien bis zu Ozeanen: Wissenschaftliche Forschung auf JEDI beschleunigt
7 Teams aus den Bereichen HPC und KI nutzten die Zeit, um ihre Performance auf Höchstniveau zu bringen – insbesondere im Hinblick auf den NVIDIA GH200 Superchip, der JUPITER, das erste Exascale-System Europas, antreibt. Während die JUPITER-Baustelle nur 50 Meter vom Hackathon-Ort entfernt noch in vollem Gange war, konnte bereits erste Hardware des Systems über die JEDI Early-Access-Maschine genutzt werden – dem derzeit energieeffizientesten Supercomputer der Welt.
Zu den zurückgekehrten Teams gehörte das Team GALÆXI, das die Performance von FLEXI untersuchte – einem Open-Source-Framework für hochgenaue numerische Methoden zur Lösung partieller Differenzialgleichungen (PDEs), mit besonderem Fokus auf numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics).
Nach der Teilnahme am Helmholtz GPU Hackathon in den vergangenen zwei Jahren entwickelte das Team eine Strategie, die Hackathon-Woche als Sprungbrett für eine neue Phase in der Entwicklung von GALÆXI – der GPU-portierten Version von FLEXI – zu nutzen. In diesem Jahr widmete sich das Team dem Portieren zentraler FLEXI-Funktionen nach GALÆXI und der Optimierung des Core Solvers für den GH200. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf dem JUPITER Research and Early Access Program (JUREAP), an dem das GALÆXI-Team aktiv teilnimmt.
„Beim Hackathon konnten wir in den rechenintensivsten Teilen unseres Codes etwa 30 % Geschwindigkeitszuwachs erzielen und auf dem Grace-Hopper GH200 eine 8,5-fache Beschleunigung im Vergleich zur A100 erreichen.
Wir kommen unserem Ziel immer näher, unsere Simulation auf nahezu jedem Supercomputer in Europa auszuführen – und das mit voller Funktionalität und hoher Geschwindigkeit.“
Ein weiteres zurückkehrendes Team, das erstmals 2018 am Hackathon teilnahm, ist McStas+McXtrace. Das Team arbeitete an der Kombination von Instrumenten- und Experiment-Simulationswerkzeugen für Neutronen- und Röntgenstreuung an großtechnischen Forschungseinrichtungen wie der European Spallation Source. McStas und McXtrace, die beiden Simulationswerkzeuge, wurden bereits in den vergangenen Jahren auf GPUs portiert, doch das Team strebte danach, noch mehr Leistung herauszuholen. Einige Algorithmen zeigten sich bei großen Problemen als langsam und könnten von einer gezielteren GPU-Optimierung profitieren.
„Wir dachten, unsere GPU-Performance habe ihren Höhepunkt erreicht, und hofften, dass uns der Open Hackathon neue Impulse geben würde, um Verbesserungen zu erzielen“, erklärte Dr. Tobias Weber vom Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich.
„Durch die Änderung der Speicherstruktur und der Anzahl der Kernel läuft unsere Simulation jetzt doppelt so schnell, und wir haben bereits weitere Effizienzsteigerungen skizziert.“
Das Team HybridNEMO, bestehend aus Forschenden des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) und des Barcelona Supercomputing Center (BSC), arbeitete an der Optimierung des Ozeanmodells NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean) für eine effiziente Ausführung auf GPU-Architekturen. NEMO ist ein leistungsstarkes und Open-Source-basiertes Framework, das zur Simulation der Ozeandynamik, des Meereises und der Biogeochemie eingesetzt wird. Das Team hatte bereits umfangreiche Vorarbeit zur Optimierung von NEMO geleistet und brachte das Framework zum Hackathon, um dessen Skalierbarkeit auf GPUs, insbesondere auf JUPITER und dem GH200 Superchip, weiter zu verbessern. Das Team ist zudem Teil des JUREAP-Programms.
„Der Helmholtz GPU Hackathon am JSC bot uns die Möglichkeit, mit der Portierung unseres Ozeanmodells NEMO auf GPUs zu beginnen – unter Anleitung unseres Mentors von NVIDIA.
Gemeinsam erarbeiteten wir eine Roadmap, um die Unified-Memory-Fähigkeiten der neuesten Geräte optimal zu nutzen, und begannen, diese auf das Modell anzuwenden. Die bisher portierten Modellteile zeigten eine fast 10-fache Beschleunigung im Vergleich zur ursprünglichen CPU-basierten Version. Wir planen, diese Arbeit mit den neuen Kollaborateur:innen aus unserem Team weiter voranzutreiben.“
Andere teilnehmende Teams – das Team CMS Digi Morphing, das CMS, CERN und VUB vertrat, das Team CP2K vom HZDR/CASUS und das Team Computer Says Snow vom ECMWF – hatten während des Hackathons die Möglichkeit, die Fähigkeiten von JEDI zu testen. Die Teams konnten sofortige Leistungsverbesserungen erzielen, ihre Anwendungen zukunftssicher machen und den Weg für langfristig effizientere Abläufe ebnen.
Und als nächstes?
Nach dem Hackathon freuten sich die Teams nicht nur über die Erfolge der vergangenen Woche, sondern sammelten auch Ideen für die nächsten Schritte. Die enge Zusammenarbeit zwischen technischen Experten und Computational Scientists führte zu neuen Kontakten für mögliche zukünftige Projekte.
Ein großes Dankeschön an das JSC-Team, die Community-Mentoren und alle Teilnehmenden, die den Hackathon 2025 zu einem großen Fortschritt in der GPU-gestützten Forschung gemacht haben!
„Es war spannend zu sehen, wie die Teams beim Helmholtz GPU Hackathon die Leistungsfähigkeit des NVIDIA GH200-Superchips, den JUPITER nutzt, einsetzten und innerhalb weniger Tage mutige Ideen in funktionierende Lösungen umsetzten. Das gezeigte Engagement und der Einfallsreichtum unterstrichen das transformative Potenzial des beschleunigten Rechnens.“
„Die intensive, zielgerichtete Zusammenarbeit zwischen den HPC-Experten als Mentoren und den Teams war sehr effektiv. Wir haben gesehen, dass die einwöchige Investition in die Leistungssteigerung mithilfe unserer GPU-basierten HPC-Infrastruktur viele zukünftige wissenschaftliche Fortschritte ermöglicht hat. Wir freuen uns darauf, die Teams wiederzusehen – insbesondere als Teil unserer regelmäßigen Nutzer.