Der Supercomputer im Zuckerwürfel

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Zürich, Switzerland, 1. März 2011—Der Energieverbrauch repräsentiert bei der Entwicklung der nächsten Generationen von Supercomputern und IT-Systemen die zentrale Herausforderung. Ziel der IBM Forschung und Entwicklung ist es, in den kommenden zehn Jahren Computersysteme mit Rechenleistungen im ExaFLOP/s-Bereich zu bauen, deren absoluter Energieverbrauch nicht wesentlich höher liegt als bei dem heute schnellsten Rechner. Ein ExaFLOP/s steht für 10¹⁸ Rechenoperationen in der Sekunde, was etwa 300 Mal schneller ist als der heutige Rekord.

Einen zukunftsweisenden Ansatz, um die Energieeffizienz von Rechnern massiv zu steigern, bieten neuartige Wasserkühltechnologien, die direkt dort ansetzen, wo die Wärme entsteht — auf dem Chip. Auf der diesjährigen CeBIT zeigt IBM erste heißwassergekühlte Systeme und gewährt damit gleichzeitig einen Blick auf die Innovation von morgen — dem Supercomputer im Zuckerwürfel.

Erste erfolgreiche Projekte

Mit heißem Wasser zu kühlen, verbindet gleich mehrere Vorteile: Es werden keine energieintensiven Kältemaschinen für Computer oder das entsprechende Rechenzentrum benötigt, was den Energieverbrauch des Gesamtsystems erheblich reduziert. Durch Heißwasserkühlung gewinnt man zudem wertvolle Wärmeenergie zurück, die sich vielfältig verwenden lässt. Im Vergleich zu ähnlichen Systemen reduziert sich die CO₂-Bilanz dadurch signifikant.

In einem Pilotprojekt haben IBM Forscher und Entwickler aus Zürich und Böblingen einen revolutionären heißwassergekühlten Supercomputer für die ETH Zürich gebaut. Aquasar — so der Name des Rechners — wird anstelle von Luft mit heißem Wasser gekühlt und gibt die abgeführte Wärme direkt an die Gebäudeheizung weiter. Das zukunftsweisende System verbraucht bis zu 40% weniger Energie als ein vergleichbarer luftgekühlter Rechner. Und auch die CO₂-Bilanz ist beeindruckend: Mittels der direkten Abwärmenutzung kann das System die Netto-Emissionen um bis zu 85% reduzieren.

Möglich wird dies durch einen innovativen Kühlkreislauf und leistungsfähige Mikrokanalkühler auf der Rückseite der Prozessoren. Damit können die Chips, die zehnmal mehr Wärme pro Quadratzentimeter als eine Kochplatte entwickeln, selbst mit bis zu 60°C heißem Wasser noch auf ihrer maximal erlaubte Betriebstemperatur gehalten werden. So wird wertvolle Abwärme gewonnen. Das gesamte Kühlsystem des Rechners ist ein geschlossener, hermetisch abgedichteter Kreislauf. Mit Hilfe von Pumpen wird das Wasser im System durch den Hochleistungsrechner geleitet. Rund 80% der Abwärme kann so wieder verwendbar gemacht und durch einen Wärmetauscher an einen externen, zweiten Wärmekreislauf weitergegeben werden, im Fall von Aquasar an das Gebäudeheizsystem der ETH Zürich. Dr. Ingmar Meijer, Aquasar-Projektleiter bei IBM Research – Zürich erklärt: „Aquasar ist ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung energiearmer und CO₂-neutraler Rechenzentren. Dies ist ein wichtiges Signal für die Industrie.“

Das nächste heißwassergekühlte IBM System ist unter der Leitung des IBM Forschungs- und Entwicklungszentrums Böblingen bereits in Planung. Es wird substantiell größer als Aquasar sein und  2012 am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) bei München installiert. Getauft auf den Namen SuperMUC, wird das neue System Teil der HPC-Infrastruktur von PRACE — Partnership for Advanced Computing in Europe — zur Nutzung durch Forscher und Institute in Europa.

Das System mit einer Spitzenleistung von 3 PetaFLOP/s (10¹⁵ Rechenoperationen in der Sekunde) basiert auf dem IBM System x® iDataPlex® Konzept mit mehr als 14000 Intel Xeon Prozessoren der nächsten Generation. Dies entspricht der Leistung von mehr als 110.000 PCs und versetzt die Wissenschaftsgemeinschaft des LRZ in die Lage, in bisher nicht möglichem Umfang Theorien zu verifizieren, Experimente zu entwickeln und Ergebnisse vorherzusagen — und das alles bei massiv geringerem Energieverbrauch.

Dr. Michael Malms, Leiter des Bereichs Open Systems und High Performance Computing am IBM Forschungs- und Entwicklungszentrum Böblingen: „Mit der Installation des SuperMUC machen wir den ersten Schritt aus der Forschung hin zu einem System, das in Forschung wie Unternehmen gleichermaßen eingesetzt werden kann. Es ist energie- und damit kosteneffizient und gleichzeitig in seiner Konzeption flexibel für viele Anwendungen einsetzbar.“

Zukunftsinnovationen: 3D-Integration

Noch weniger Energieverbrauch bei mehr Leistung versprechen dreidimensional aufeinander gestapelte Chips — so genannte 3D-Chips. In den Forschungszentren der IBM wird in Richtung Exascale bereits intensiv an 3D-Integration gearbeitet,  3D-Chip-Architekturen reduzieren nicht nur die Grundfläche des Chips, sondern verkürzen die Datenverbindungen und erhöhen die Bandbreite für die Datenübertragung im Chip um ein Vielfaches. Die Herausforderung bei der Entwicklung dreidimensionaler Chip-Layouts liegt momentan in den Leistungsgrenzen  herkömmlicher Kühler. Komplexere Designs mit hauchdünnen, aufeinander gestapelten Prozessoren können eine Leistungsdichte von rund 5 kW/cm³ (Kilowatt pro Kubikzentimeter) erreichen — eine Leistungsdichte, die derjenigen aller heutigen Wärmekraftmaschinen, wie etwa Verbrennungsmotoren, um das Zehnfache übertrifft.

Bei IBM Research in Zürich wird daher an der Skalierbarkeit der Kühlung für aufeinander gestapelte Chips geforscht. Erste Ergebnisse konnten die Forscher bereits demonstrieren: In Testsystemen wurde Wasser in haarfeinen Strukturen von ca. 50 Mikrometern Größe direkt zwischen den gestapelten einzelnen Chip-Ebenen geleitet. Der 3D-Stapel von Heizelementen mit Wärmestromdichten wie sie heutige Prozessorchips freisetzen, kann so sehr effizient gekühlt werden.

Ziel ist ein System mit optimiertem Wasserfluss durch die dünnen Ebenen, das zudem die Elektronik gegen Wasser zuverlässig isoliert. Bis zur Realisierung von voll funktionsfähigen Prototypen in sieben bis zehn Jahren müssen die Forscher allerdings noch mehrere technische Hürden nehmen.  Eine besondere Schwierigkeit stellen hierbei die Tausende von elektronischen Datenverbindungen zwischen den Prozessorlagen dar, mit denen der 3D-Chip „gespickt“ ist. Die Dichte der Komponenten in einem solchen System ist etwa vergleichbar mit der des menschlichen Gehirns: Einerseits wird es von Millionen von Nervensträngen für die Signalverarbeitung durchzogen, andererseits sorgen Zehntausende von Blutkapillaren für den Nährstoff- und Wärmetransport — ohne dass sich beide Strukturen gegenseitig stören.

Die dreidimensionale Integration von Computer-Chips ist einer der viel versprechendsten Ansätze, um immense Leistungssteigerungen bei massiv kleinerem Energieverbrauch zu erzielen. Ein Supercomputer in der Größe eines Zuckerwürfels wird damit zu einer machbaren Vision.