BW-GRiD

High Performance Computing Center Stuttgart

Ein landesweites Ressourcen-Grid in Baden-Württemberg

 

Aus dem Projekt InGrid ging das bwGRiD im Rahmen einer Infrastrukturförderung des BMBF hervor. In bwGRiD werden die Funktionalität und der Nutzen von Grid-Konzepten im HPC-Umfeld nachgewiesen und bisherige Organisations- und Sicherheitsprobleme überwunden. Diese Probleme liegen vor allem in der verteilten Datenhaltung sowie den unterschiedlichen Nutzerverwaltungen begründet bzw. ergeben sich aus dem Fehlen einer Sicherheitsinfrastruktur zwischen verschiedenen Rechenzentren. Darüber hinaus werden neue Cluster- und Grid-Anwendungen entwickelt, die Lizenzproblematik angegangen sowie eine Spezialisierung der einzelnen Rechenzentren ermöglicht. Jedes Rechenzentrum wird sich einem Themenbereich als Schwerpunkt widmen und die Unterstützung für die Nutzer koordinieren. Jedes Zentrum wird einen weiteren, möglichst verwandten Grid-Computing-Schwerpunkt unterstützen, so dass lokale und verteilte Kompetenzen vernetzt werden.

Speicherkonzept
Der Verbund des landesweiten Grid für Baden-Württemberg wird durch eine landesübergreifende Speicherlösung abgerundet, welche aus lokalen Komponenten an den einzelnen Cluster-Standorten und einem zentralen Speichersystem besteht. Das Gesamtsystem wird als so genannter Federated Storage organisationsübergreifend verwaltet und genutzt werden. Natürlich stellt ein solches verteiltes Speicherkonzept auch neue Herausforderungen. Zum einen ist die Zuverlässigkeit und Stabilität des globalen Dateisystems extrem wichtig, denn wenn das zentrale Dateisystem nicht funktioniert, ist eine Nutzung der Rechner im bwGRiD nur sehr eingeschränkt möglich. Zum anderen ist das Zusammenwirken lokaler und zentraler Speicherkomponenten an verschiedenen Einrichtungen in der vorgeschlagenen Form noch Neuland. Insbesondere wird eine Schulung der Nutzer im Umgang mit den neuen Systemen und den dahinter stehenden Konzepten erforderlich.

Hardware-Details:

  • IBM Bladeserver: 2x Intel Xeon Quadcore 2,8 GHz, 16 GB RAM.
  • Jeweils 10 Bladecenter (140 Knoten) an den Standorten Freiburg, Heidelberg, Karlsruhe, Mannheim und Tübingen. Diese Cluster kommen auf eine Rechenleistung von jeweils 9,59 TFlops und liegen damit auf den Plätzen 402-406 in der TOP500.org Liste (Juni 2008) der weltweit schnellsten Rechner.
  • 20 Bladecenter (280 Knoten) am Standort Ulm mit einer Rechenleistung von 19,18 TFlops und damit Platz 98.
  • 31 Bladecenter (428 Knoten) am Standort Stuttgart mit einer Rechenleistung von 29,32 TFlops und damit Platz 65 in den TOP500.
  • Die Rechenzentren sind teilweise bereits mit 10 GBit/s untereinander über das BelWü verbunden.
  • Die für bwGRiD beschafften Parallelrechner-Cluster werden im Rahmen der D-Grid-Initiative zu einem Verbund gekoppelt werden.


Automotive Simulations:
Durch das im März 2008 gegründete Automotive Simulation Center Stuttgart (ASCS) wird die Zusammenarbeit von Forschung und Industrie im Fahrzeugbau noch enger. Themen des neuen Zentrums sind unter anderem der Leichtbau und die Entwicklung leiser und vor allem verbrauchs- und schadstoffarmer Fahrzeuge. Für diese und andere Aufgaben in der Automobilindustrie sind numerische Simulationsmethoden zur Produktentwicklung und Optimierung unverzichtbar

Industriebeteiligung:
Um die Nachhaltigkeit der Entwicklungen aus bwGRiD zu sichern, wird neben den rein akademischen Nutzern auch in der Industrie bzw. in industrienahen Bereichen für die Nutzung der Infrastruktur geworben werden. Damit einhergehend sind jedoch oftmals wesentlich höhere Anforderungen speziell an die Datensicherheit und Verfügbarkeit gestellt als bei akademischen Nutzern. Durch die Ausrichtung auf die Bedürfnisse der Wirtschaft kann zudem eine Kostentransparenz geschaffen werden, die ein erhöhtes Kostenbewusstsein fördern kann.

Klimasimulation:
Ziel einer Kooperation mit dem Deutschen Wetterdienst ist es, die Simulation meteorologischer Phänomene zu verbessern. Hierfür werden effiziente Verfahren höherer Ordnung auf unstrukturierten Gittern in 3D zum Einsatz bei meteorologischen Simulationen entwickelt und validiert. Ein Teilaspekt des Projekts ist die Erweiterung des mathematischen Modells, so dass verschiedene Spezies (z.B. Regen, Eis) berücksichtigt werden können. Am KIT (Karlsruher Institut für Technologie) untersucht die Arbeitsgruppe Spurenstoffmodellierung und Klimaprozesse die Ausbreitung von gas- und partikelförmigen Spurenstoffen in der Troposphäre mittels rechnergestützter Simulationen. Schwerpunkt der Arbeiten ist die Analyse der Prozesse, die für die räumliche und zeitliche Verteilung der Spurenstoffe von Bedeutung sind. Aerosole spielen eine wichtige Rolle im Klimasystem. Sie modifizieren das Strahlungsfeld und treten in Wechselwirkung mit Wolken und den gasförmigen Spurenstoffen.

Astrophysik:
Simulation der Temperaturverteilung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung für ein dreidimensionales Torus-Universum unter Verwendung der ersten 5,5 Mio. Eigenfunktionen ("Obertöne").

Volkswirtschaftslehre:
Der Forschungsbereich "Alterssicherung und Ersparnisbildung" analysiert die bestehenden sozialen Sicherungssysteme und die Wechselwirkung zwischen ihnen und der privaten Ersparnisbildung. Es werden die Auswirkungen des demographischen Wandels auf die Finanzierbarkeit und Ausgestaltung der Renten-, Kranken- und Pflegeversicherungssysteme studiert und erforscht, wie und warum Haushalte sparen.

Energie aus Brennstoffzellen:
Der Forschungsverbund "Modellbasiertes Design von Brennstoffzellen und Brennstoffzellensystemen" ist eingebettet in das BMBF-Rahmenprogramm "Grundlagenforschung erneuerbare Energien". Es werden mathematische Methoden entwickelt und angewendet, um eine computerbasierte Auslegung von PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran) Brennstoffzellen, Stacks und Systemen zu ermöglichen. Darauf aufbauend werden detaillierte 3D-Simulationen von Brennstoffzellenstacks unter Verwendung eines komplexen, die Brennstoffzellen möglichst genau beschreibenden Modells durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden mit Messungen an Prototypbrennstoffzellen verglichen.

Life Science  / Chemie:
Die Kombination biologischer und chemischer Methoden auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen, angefangen von quantenchemischen ab-initio Methoden über Molekulardynamiksimulationen bis hin zu thermodynamischen und biologischen Modellen, ermöglicht die Untersuchung auch sehr komplexer Systeme. Zum Beispiel kann man beim Design pharmazeutischer Wirkstoffe in relativ kurzer Zeit eine Vielzahl möglicher Wirkstoffe im Computer auf ihre Brauchbarkeit testen (Screening). Nur die Wirkstoffe, die in dem Test eine hohe Wirksamkeit zeigen, werden dann experimentell näher untersucht. Solche und ähnliche Verfahren können die Effizienz beim Design neuer Wirkstoffe erheblich steigern.