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Blue Gene Supercomputer am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon installiert

Für die Materialwissenschaften beginnt mit einer neuen Generation von IBM Supercomputern ein neues Zeitalter

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Erstmals ist es möglich, wirklichkeitsgetreue Simulationen in der Entwicklung von Mikrochips einzusetzen. Computerunterstützt werden Materialien designt, die wiederum in der nächsten Generation von Supercomputern zum Einsatz kommen könnten.

Zürich, Schweiz, 11. August 2005 — Heute wird einer der schnellsten Rechner der Welt am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon offiziell in Betrieb genommen. Der Supercomputer ist ein so genanntes Blue Gene/L-System, dessen Rechenleistung aktuell dem 21. Rang auf der Liste der 500 schnellsten Rechner der Welt entspricht. Eine der zentralen Fragen der Informationstechnologie wird ein Anwendungsgebiet des Rechners bestimmen: Wie können Computerchips noch weiter verkleinert und damit noch leistungsfähiger gemacht werden? Der neue Supercomputer erlaubt den IBM Forschern, Systeme von einem Komplexitätsgrad zu simulieren, der dem von Strukturen der realen Halbleitersysteme entspricht.

Supercomputer der Blue Gene Familie sind modular aufgebaut. Das System in Rüschlikon besteht aus zwei Racks mit einer maximalen Rechenleistung von 11.2 Teraflops (d.h. 11.2 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde). In der Schweiz ist einzig der aus vier Racks bestehende Blue Gene/L-Rechner an der Ecole Polytechnique Fédérale in Lausanne mit maximal 22.9 Teraflops noch leistungsstärker.

Zum Einsatz kommen wird der neue Supercomputer etwa bei Simulationen auf dem Gebiet der Materialwissenschaften. In Hinblick auf die fortschreitende Miniaturisierung der Mikrochips gewinnt gerade dieses Gebiet immer mehr an Bedeutung. Um die Leistungsfähigkeit von Computern stetig zu steigern, sind in den vergangenen 40 Jahren die Bauelemente und Strukturen der Mikrochips fortlaufend verkleinert worden. Die Entwicklung entspricht im Wesentlichen dem so genannten Moore'schen Gesetz, laut dem sich die Anzahl Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppelt.

Doch die fortschreitende Miniaturisierung wirft zunehmend Probleme auf. Die integrierten Schaltkreise der Mikrochips sind aus Transistoren aufgebaut, die als Schaltelemente fungieren. Diese haben eine sandwichartige Struktur aus isolierenden und leitenden Schichten. Solche Teilstrukturen der Transistoren bestehen derzeit schon nur noch aus wenigen Atomlagen. Das führt unter anderem dazu, dass Leckströme durch Isolatorschichten zu einem Problem werden. Neuartige Materialien mit besseren Isolatoreigenschaften als das bislang verwendete Siliziumdioxid könnten hier eine Lösung bieten.

Die tatsächliche Eignung eines solchen Materials für den Einsatz in einem integriertem Schaltkreis hängt von seinen Charakteristika und seinem Verhalten im Transistor ab. Solchen Fragen gehen die IBM Forscherinnen und Forscher mit Hilfe von Simulationen auf der Basis der so genannten First-Principles Molekulardynamik nach. Das heisst, sie modellieren das Verhalten des Materials einzig auf Basis der Quantendynamik. Solche Modellrechnungen sind sehr komplex und extrem rechenintensiv. Um zum Beispiel alle Wechselwirkungen in einem System mit 100 bis 500 Atomen in Intervallen von 0.1 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel eines Millionstels einer Millisekunde) zu kalkulieren, benötigte der vorherige Hochleistungscomputer des Forschungszentrums - vor drei Jahren noch der schnellste Rechner der Schweiz - ungefähr zwei Minuten. Das neue BlueGene/L System benötigt für diese Berechnung 10 Sekunden.

Eine solche Leistung ist nur mit einer Software möglich, die optimal an die modulare Struktur des Blue Gene/L-Systems angepasst ist. Die so genannte CPMD-Software, die für solche Simulationen verwendet wird, wurde auf die spezielle Architektur dieses Supercomputers abgestimmt. So kann dank BlueGene/L nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Komplexität der Simulationen erhöht werden. Heute sind Simulationen mit 1000 bis 5000 Atomen möglich. Diese Anzahl ist nötig, um ein realistisches Modell der chemischen und physikalischen Vorgänge der kritischen Materialien eines Mikrochips zu berechnen.

Die Entwicklung neuartiger Materialien mit massgeschneiderten Eigenschaften ist für eine weitere Leistungssteigerung der Computerchips von grundlegender Bedeutung. Simulationen auf Supercomputern helfen diese Entwicklung voranzutreiben. Dank dem Blue Gene/L-System ist ein möglicher Durchbruch näher gerückt.

Weiterführende Links

IBMs Blue Gene Supercomputer Projekt

Bei Blue Gene handelt es sich um ein IBM Projekt, das der Entwicklung einer neuen Supercomputer-Familie gewidmet ist. Blue Gene Supercomputer sind für Bandbreite, Skalierbarkeit und die Verarbeitung grosser Datenmengen optimiert und zeichnen sich im Vergleich zu anderen führenden Supercomputern durch einen erheblich geringeren Energieverbrauch und eine stark reduzierte Standfläche aus.

Ein BlueGene/L-System mit 64 Modulen wird zusammen mit dem US-amerikanischen Department of Energy am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien (USA) aufgebaut. Dieser Blue Gene/L soll eine Spitzenleistung von 360 Teraflops erbringen.

IBM erforscht den Einsatz des so genannten Deep Computings in einer wachsenden Zahl von Anwendungsbereichen wie die Berechnung von Finanz- und Wettermodellen oder für Hydrodynamik, Quantenchemie und Molekulardynamik.

Press contact

Nicole Strachowski
Media Relations
IBM Research - Zurich
Tel +41 44 724 84 45

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