Lernblog Kremsner

Abstract

Seit es Computer gibt werden sie immer schneller und leistungsstärker. Wie lange noch? Hat das Mooresche Gesetz bald ausgedient? Technologien setzen Supercomputern voraussichtlich keine Grenzen. Die Verantwortlichen werden alles daran setzen, auch künftig ausreichend finanzielle Mittel zur Entwicklung neuer Super-Computer zur Verfügung zu stellen.

Definitionen

Als Supercomputer oder Superrechner werden die schnellsten Rechner ihrer Zeit bezeichnet. Die ersten Computer waren raumfüllend. Ein paar Jahre später waren sie noch riesig, irgendwann nur noch klobig. Heute hat ein Smartphone 120 Millionen Mal die Rechenleistung des Steuercomputers des Apollo-Mondprogramms der Nasa. Derzeit steht der schnellste Rechner (Q1) in China, der Sunway TaihuLight; Sunway SW26010 260; 1.45GHz; 93,014.6 TFlop/s (Gleitkommaoperationen/sek).

Österreichs schnellster Rechnerverbund wird von den Universitäten Wien, Graz, Innsbruck und Klagenfurt und den TUs Wien und Graz und der Universität für Bodenkultur und der Montanuniversität Leoben betrieben. Vienna Scientific Cluster (VSC3) hat 32768 Prozessoren und 596 TFlops. VSC3 verbraucht 450 KW/H (Q1).

Supercomputer besitzen eine Matrix von Prozessoren, auf die die Aufgaben verteilt und dann mit hoher Parallelität abgearbeitet werden. Diese Matrix kann sich aus mehreren tausend Prozessoren zusammensetzen. Die Leistungsfähigkeit kann nur mit speziell entwickelter Software abgerufen werden.

Das Mooresche Gesetz: Jahrzehntelang galt für die Chipherstellung die Regel des Gordon Moore, Mitgründer des Halbleiterherstellers Intel. 1965 stellte Moore fest, dass sich die Anzahl der Schaltkreiskomponenten auf einem integrierten Schaltkreis jedes Jahr verdopple. Später korrigierte er auf zwei Jahre (Q2).

Einsatzbereiche

Super-Computer werden vor allem in der Allgemeinen Forschung, der Quantenmechanik, der Finanz-Industrie, in der Geophysik und für Wettervorhersagen gebraucht. In den USA werden die meisten Systeme im Verteidigungs- und Energieministerium eingesetzt.

China entwickelt einen Supercomputer, der zehnmal schneller sein soll als der derzeit leistungsfähigste Rechner. Der erste Exaflop-Rechner soll eine Trillion Rechenoperationen pro Sekunde ausführen, der Prototyp von Tianhe 3 soll im Frühjahr 2018 fertig sein. Exaflop steht für ein System, das 10 hoch 18 sogenannte Fließkommaoperationen pro Sekunde, Flops genannt, berechnen kann (Q3).

Technische Grenzen erreicht?

"Das Mooresche Gesetz ist am Ende", sagt Thilo Maurer (Q2). Er erforscht Halbleitertechnologie für IBM. "Es gibt physikalische Grenzen, an denen wir nicht rütteln können." Intel-CEO Brian Krzanich verkündete bereits 2015 (Q5), dass sich die Entwicklungsdauer von Intel-Mikroprozessoren auf zweieinhalb Jahre verlängern werde.

Die Chipindustrie denkt längst in unvorstellbar kleinen Größen. Sie rechnet in Nanometern, also Millionstel Millimetern. Auf einen modernen Prozessor mit wenigen Quadratmillimetern Größe lassen sich heute mehrere Milliarden Transistoren quetschen. Die Leiterbahnen von heute sind nur noch ein paar Atome breit. Bei solchen winzigen Größen angelangt, kommen die Gesetze der Quantenmechanik ins Spiel, sagt IBM-Forscher Thilo Maurer. "Die aktuelle Siliziumtechnologie schafft es voraussichtlich nur noch, bis sieben oder fünf Nanometer zu kommen", schätzt er. Dann ist Schluss mit der Miniaturisierung. Die letzten physikalisch möglichen Schrumpfprozesse seien außerdem "mit erheblich höherem Entwicklungsaufwand" verbunden. Je weiter man die Chip-Architektur noch verkleinern will, desto kostspieliger wird es. Moore's Law bestand auch fort, weil die Branche immer bereit war, das für den Fortschritt nötige Geld zu investieren. Dass die bisher praktizierte Verdichtung von Transistoren auf einem Chip, wie Moore sie beschreibt, an ihre Grenzen stößt, bedeutet aber kein Ende der Chipentwicklung. Die Branche forscht unter dem Motto "More than Moore" an neuen Ideen (Q2).

Die Grenzen von Moore's Law sind auch der Anstoß, radikale Ansätze auszuprobieren: Zum einen wird der Grundbaustein der Halbleitertechnologie, das Silizium, auf den Prüfstand gestellt. Das Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik etwa untersucht, ob sich nicht Germanium oder Graphen besser für Chips eignen könnten. IBM forscht im SyNAPSE-Projekt (Q8) mit neuromorphen Systemen. Solche Systeme orientieren sich an den Strukturen des Nervensystems von Menschen. Die Architektur von Chips wird grundlegend verändert mit dem menschlichen Gehirn als Vorbild. (Q2)

Conclusio

Der Bau von Super-Computern verschlingt Milliarden von Euro, US-Dollar und Renminbi. Großmächte können es sich nicht leisten, an diesem Wettlauf nicht teilzunehmen. Keine große Nation möchte in diesem sensiblen Bereich von anderen abhängig sein. Seit einigen Jahren wird in einem neuen Segment geforscht, in dem die führenden Nationen autark bleiben wollen, der Entwicklung des autonomen Verkehrs. Deshalb werden große IT-Konzerne und Politikerinnen und Politiker auch künftig die notwendigen finanziellen Mittel zur Verfügung stellen, um bei Super-Computern vorne dabei zu sein. 

Quellen

Q1.https://www.top500.org - Zugriffsdatum: 14.6.2017

Q2.http://www.spiegel.de/netzwelt/web/moore-s-law-die-goldene-regel-der-chiphersteller-broeckelt-a-1083468.html - Zugriffsdatum 14. 3. 2017

Q3.http://blogs.faz.net/netzwirtschaft-blog/2017/02/22/china-baut-den-naechsten-supercomputer-4036/ - Zugriffsdatum 27.06.2017

Q4.http://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338a-1083468.html - Zugriffsdatum 14. 3. 2017

Q5.http://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/unternehmen/moore-s-law-ist-gefaehrdet-chips-aus-silizium-werden-ueberholt-13745555.html -  Zugriffsdatum 14.6.2017

Q6.http://ikt.nrw.de/einzelmeldung/article/wo-supercomputer-ihre-grenzen-haben
- Zugriffsdatum 27.06.2017

Q7.http://www.pc-magazin.de/ratgeber/moore-law-report-ende-2020-1938131.html
- Zugriffsdatum 27.06.2017

Q8.https://en.wikipedia.org/wiki/SyNAPSE - Zugriffsdatum 27.06.2017