HPC-Lösung im Bereich Forschung & Entwicklung
Immer größer werdende Datenmengen benötigen laufend leistungsfähigere Hardware- und Softwarelösungen. Unser Projekt mit der Fachhochschule Graubünden zeigt auf, wie auch kleine High-Performance-Computing-Lösungen großes bewirken können, indem sie bei der Berechnung von mathematischen Konstanten im Bereich der angewandten Forschung und Entwicklung eingesetzt werden, um dort neue Erkenntnisse zu schaffen.
Hintergrund-Informationen zum Use Case
Die Zahl Pi ist aus der Schule bekannt: Pi wird zur genauen Berechnung einer Kurve oder eines Kreises benötigt. Genauer beschrieben gibt die Zahl Pi das Verhältnis des Kreisumfangs zu seinem Durchmesser an, und zwar unabhängig von der Größe des Kreises. Pi ist daher für die Mathematik eine wichtige Kennzahl und wird durch das Zeichen „π“ symbolisiert. Sie ist auf allen Taschenrechnern zu finden und entspricht einer bestimmten Zahl, nämlich ungefähr 3,14.
Das Besondere an der Zahl Pi ist, das es sich um eine irrationale Zahl handelt. Das bedeutet, dass sie eine reelle, aber keine rationale Zahl ist, die unendlich viele Nachkommastellen besitzt (π ≈ 3,14). Die Nachkommastellen wiederholen sich dabei nach keinem bekannten Muster. Genau das macht die exakte Berechnung von Pi zur Herausforderung. Forscher und Wissenschaftler arbeiten seit Jahrzehnten an diversen Algorithmen, um so viele Nachkommastellen, wie nur möglich, von Pi zu berechnen. Die Brüder Chudnovsky entwickelten dafür im Jahr 1988 einen Algorithmus* (*Quelle) als die bisher effizienteste Methode zur exakten Berechnung der Pi-Nachkommastellen.
Der Algorithmus ist das Eine, die Computer-Rechenleistung – auf der diese komplexe Berechnung stattfinden kann – das Andere. Dank der rasanten Entwicklung von hochleistungsfähigen und performanten Technologien konnten innerhalb der letzten 70 Jahre wahre Quantensprünge zur Berechnung der Nachkommastellen von Pi aufgestellt werden. Unter den bisherigen Weltrekord-Haltern ist auch die Firma Google oder Timothy Mullican zu finden. Der neueste Rekordhalter ist die Fachhochschule Graubünden, die am 14. August 2021 einen neuen Weltrekord mit rund 62,8 Billionen Nachkommastellen der Kreiszahl Pi bekannt gab.** (**Quelle).
Weltrekord-Versuch der Fachhochschule Graubünden - Boston Use Case in der Schweiz
Software-Einsatz im Use Case zur PI-Stellen-Berechnung
Hinsichtlich Berechnungsprogramm entschied sich die FH Graubünden für die Software y-Cruncher, die sich bei vorigen Weltrekord-Versuchen bereits bewährt hat. Die Software zeichnet sich dahingehend aus, dass sie moderne Hardware-Eigenschaften des Prozessors nutzen kann. Als Betriebssystem wurde Linux installiert, das vielfältige Eingriffsmöglichkeiten erlaubt, um die Berechnungsgeschwindigkeit von Pi zu erhöhen. (***Quelle)
Hardware-Lösungsansatz und Umsetzung im Use Case
Zur Berechnung von Pi im Billionenstellen-Bereich benötigte das Team der Fachhochschule enorm hohe Speichermengen (RAM und Auslagerungsspeicher) sowie niedrige Speicherzugriffszeiten. Das Projektteam verwendete für Ihren Weltrekord-Versuch ein Server-Storagestack, der vom Partner Transtec Computer AG in Zusammenarbeit mit Boston Server & Storage Solutions GmbH individuell dafür designt wurde.
Mit diesem ersten Anforderungsbedarf und Grundwissen zur Performance konzipierten wir eine aus zwei Einheiten bestehende Lösung. Die Compute Power wurde via einem Dual AMD EPYC™ 7542 CPU (je 32 Core, 2.9 GHz) basierenden Server mit 1024GB Memory und zwei SSDs von Micron vom Typ 7300 Pro bereitgestellt. Die Verbindung zwischen diesem High- End-Server und dem Speichersystem wurde mit einem Host-Bus-Adapter (HBA) vom Typ 9500-16e von Broadcom gelöst.
Im Speichersystem wurden 38x 16TB SAS Enterprise-Festplatten von Toshiba in einem von Supermicro entwickelten Storage-Chassis (JBOD) verbaut.
Mit dem gewählten Hardware-Setup konnte die Berechnungsgeschwindigkeit, dank parallelisiertem Disk Zugriff, enorm beschleunigt sowie die grundsätzlichen Geschwindigkeitsnachteile der HDDs im Vergleich zum SSD-Einsatz etwas ausgeglichen werden. HDD-Festplatten bieten den Vorteil einer weit höhere Zyklen-Festigkeit gegenüber SSDs.
Im Zusammenspiel mit allen Komponenten aus Software und Hardware sowie deren Konfiguration konnte die Berechnung des neuen Pi-Stellen-Weltrekords vom Team der FH Graubünden in 108 Tagen und 9 Stunden durchgeführt werden.
Ein überwältigendes Ergebnis und ein zusätzlicher Beweis dafür, dass selbst kleinere High- Performance Computing (HPC) Lösungen bei der Berechnung von riesigen Datenmengen zu erfolgsversprechenden Lösungen führen können. Diese finden heute bereits Anwendung bei RNA-Analysen, Strömungssimulationen oder Textanalysen.
Heiko Rölke, Leiter des Zentrums für Datenanalyse, Visualisierung und Simulation (DAViS) an der Fachhochschule Graubünden lobte im anschließenden Interview die Herangehensweise zur Findung der am besten passenden Hardwarelösung und gab an, dass „er sich sehr wertgeschätzt gefüllt habe und dass die Zusammenarbeit für ihn mit dem Team der Transtec Computer AG und der Boston Server & Storage Solutions Team eine sehr gute Erfahrung gewesen sei“. Er fügte hinzu, dass ihm „keine vorgefertigten Standardlösungen präsentiert worden sind, sondern auf Basis der individuellen Projektanforderungen und -wünsche ein maßgeschneidertes Hardwareangebot erstellt worden ist, welches zur erfolgreichen Umsetzung des Projektes geführt hat“.
Energieverbrauch der HPC-Lösung im Vergleich: Mit einem Wert von 1.75 GFlops/Watt würde die gewählte Lösung zur Pi-Stellen-Berechnung den 153. Platz auf der Green500 Liste belegen.
Die Teams von der Boston Server & Storage Solutions und Transtec Computer AG bedanken sich bei der FH Graubünden für das Vertrauen und die gute Zusammenarbeit in diesem Projekt und drücken die Daumen, dass sie den Weltrekord für lange Zeit halten können.
Sie haben Fragen zum Use Case oder eine ähnliche Herausforderung, bei der das Boston-Team unterstützen kann?
Kommen Sie gerne auf uns zu. Wir finden die passende Lösung auch für Ihre Anforderung.
