{"id":13597,"date":"2017-02-16T14:36:46","date_gmt":"2017-02-16T13:36:46","guid":{"rendered":"http:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=13597"},"modified":"2025-09-15T10:39:06","modified_gmt":"2025-09-15T08:39:06","slug":"vom-selbstgebauten-pc-zum-supercomputer","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/menschen\/vom-selbstgebauten-pc-zum-supercomputer\/","title":{"rendered":"Vom selbstgebauten PC zum Supercomputer"},"content":{"rendered":"
Volker Lindenstruth, Professer f\u00fcr Hochleistungsrechnerarchitektur; Foto: Dettmar<\/figcaption><\/figure>\n

Er hat wissenschaftliche Standbeine an vier verschiedenen Institutionen, doch sein Herz schl\u00e4gt f\u00fcr Frankfurt. \u201eIch bedaure heute nur, dass ich nicht fr\u00fcher zur\u00fcckgekommen bin\u201c, sagt der geb\u00fcrtige Frankfurter. Seit sieben Jahren hat Volker Lindenstruth eine Professur f\u00fcr Hochleistungsrechnerarchitektur an der Goethe-Universit\u00e4t.<\/p>\n

An der GSI bei Darmstadt baut er als wissenschaftlicher ITChef den Hochleistungsrechner f\u00fcr den dort entstehenden Beschleuniger FAIR. Am Europ\u00e4ischen Forschungszentrum CERN bei Genf hat er eine intelligente Auslesetechnik f\u00fcr die Daten des ALICE-Experiments entwickelt. Und in seiner \u201eNebent\u00e4tigkeit\u201c ist er noch Vorstand des FIAS (Frankfurt Institute for Advanced Studies).<\/p>\n

Allein seitdem Lindenstruth in Frankfurt ist, hat er einiges auf die Beine gestellt: 2010 realisierte er den Supercomputer der Goethe-Universit\u00e4t LOEWE-CSC, der im Industriepark H\u00f6chst steht. Als dieser 2011 in Betrieb genommen wurde, erreichte er Platz 8 der Weltrangliste der effizientesten Supercomputer. Das 2012 konstruierte Schwestermodell f\u00fcr ein Forschungszentrum in Saudi Arabien, SALAM, landete auf Platz 2 der Weltrangliste.<\/p>\n

Und mit dem 2014 fertiggestellten Lattice-CSC (L-CSC) f\u00fcr das FAIR-Experiment schaffte es Lindenstruth schlie\u00dflich an die Spitze. \u201eInzwischen ist der L-CSC auf Platz 4 zur\u00fcckgefallen, aber das ist immer noch gut, wenn man bedenkt, wie rasend schnell die Entwicklung auf diesem Gebiet vorangeht.\u201c<\/p>\n

T\u00fcftler und Tester als Teenager<\/strong><\/h3>\n

Den ersten Computer hat Volker Lindenstruth als Abiturient gebaut. Es war die Zeit, als die ersten PCs auf den Markt kamen. Mit seinem Tandy TRS-80 stie\u00df er schnell an Grenzen. Da f\u00fcr einen gr\u00f6\u00dferen Computer das Geld fehlte, baute er sich das gew\u00fcnschte Modell selbst. Bald musste er sich das Material nicht mehr kaufen, weil er die Produkte einer Mainzer Firma auf ihre Schw\u00e4chen pr\u00fcfte. F\u00fcr diese Firma entwickelte er seine ersten Computer, unter anderem ein robustes VME-Bussystem f\u00fcr die Steuerung von Maschinen.<\/p>\n

Dieses \u201eHobby\u201c, das er neben seinem Studium an der TU-Darmstadt betrieb, brachte ihm eine h\u00fcbsche Summe ein. Seine Doktorarbeit machte Volker Lindenstruth an der GSI bei Prof. Ulrich Lynen. \u201eMit Uli hatte ich den Deal, dass ich ihm im ersten Jahr einen Computer zur Auslese der experimentellen Daten seines Detektors baue und er mir ab dem zweiten Jahr die dazugeh\u00f6rige Physik beibringt\u201c, erinnert sich Lindenstruth. Von seinem Doktorvater habe er zwei wichtige Dinge gelernt: Erstens, im richtigen Moment den Druck rauszunehmen, und zweitens, sich nicht zu fein zu sein, unkonventionelle Wege zu gehen.<\/p>\n

Lektionen f\u00fcr das Leben<\/strong><\/h3>\n

Die erste Lektion lernte er, als der von ihm mitentwickelte Detektor erstmals in einem Teilchenstrahl am Beschleuniger getestet werden sollte. \u201eDer Strahl war da und der Computer funktionierte nicht\u201c, erinnert sich Lindenstruth heute noch mit Schrecken. Er suchte fieberhaft nach dem Fehler. \u201eIch war zittrig und mir stand der kalte Schwei\u00df auf der Stirn, als Uli Lynen gegen Mitternacht mit einer Dose Kekse zu mir kam und mich zu einer Pause zwang.<\/p>\n

Gegen zwei oder drei Uhr morgens habe ich dann entdeckt, dass es sich um einen Fehler im Betriebssystem handelte.\u201c Die zweite Lektion lernte er, als f\u00fcr ein Kollisions-Experiment an der GSI ein Mitarbeiter vergessen hatte, das Blei-Target zu bestellen, auf das die Schwerionen geschossen werden sollten. Lynen ging daraufhin auf das Dach und kratzte Blei aus einer Fensterdichtung.<\/p>\n

\u201eDas war zwar kein optimales Target, aber so haben wir wenigstens etwas messen k\u00f6nnen und die teure Strahlzeit nicht vergeudet\u201c, schmunzelt Lindenstruth. Seine Computerkenntnisse brachten ihm in der Folge eine Post-Doktoranden-Stelle an der Universit\u00e4t Berkeley in Kalifornien ein.<\/p>\n

Diese hatte einen Detektor an der GSI bestellt, konnte ihn aber nicht zum Laufen bringen, weil es den dortigen Experten nicht gelang, die Maschinensprache zu \u00fcbersetzen. Lindenstruth wurde entsandt, das Problem zu beheben, verbrachte anschlie\u00dfend noch ein paar Tage mit Mountain Biking und erhielt kurz nach seiner R\u00fcckkehr die Anfrage, ob er in Berkeley forschen wolle.<\/p>\n

G\u00fcnstige Hardware dank Grafikkarten<\/strong><\/h3>\n

Die Teilchenphysik braucht nach wie vor die gr\u00f6\u00dften und leistungsf\u00e4higsten Computer, aber auch andere Fachgebiete wie die Klimaforschung, in der aufw\u00e4ndige Simulationen notwendig sind, ben\u00f6tigen effiziente und kosteng\u00fcnstige Supercomputer. Inzwischen gibt es auch immer mehr Bedarf in der Wirtschaft. Lindenstruth setzt bei der Konstruktion auf drei S\u00e4ulen: Seine Rechner sind unschlagbar g\u00fcnstig, weil er anstelle von Prozessoren auch handels\u00fcbliche Grafikkarten verwendet.<\/p>\n

Diese sind als Massenware f\u00fcr Spielekonsolen preiswert und werden immer leistungsf\u00e4higer. Verwirklicht hat Lindenstruth diese Idee erstmals am CERN. Dort konnte er die Rechenleistung eines vergleichsweise g\u00fcnstigen Supercomputers f\u00fcr zwei Millionen Euro mithilfe von Grafikkarten verdreifachen. Wie bereits zu Studienzeiten pflegt Lindenstruth gute Kontakte zu den Herstellern.<\/p>\n

Er gibt wichtige Hinweise zu Materialschw\u00e4chen und kann als Gro\u00dfabnehmer g\u00fcnstige Konditionen aushandeln. Die zweite S\u00e4ule ist ein effizientes K\u00fchlsystem. Mittlerweile flie\u00dfen in Deutschland etwa 60 Prozent der Betriebskosten f\u00fcr Supercomputer in die K\u00fchlung. Um an dieser entscheidenden Stelle Energie zu sparen, hat sich Lindenstruth den \u201eGreen IT Cube\u201c ausgedacht.<\/p>\n

\u201eDas ist im Wesentlichen ein Geb\u00e4ude mit leeren Schr\u00e4nken und einer K\u00fchlung\u201c, sagt er bescheiden. Das einfache und kosteng\u00fcnstige Prinzip beruht auf der Verdunstung von Wasser. Aber wenn er ins Detail geht, wird klar, dass es sich um eine genau durchdachte Konstruktion handelt.<\/p>\n

Hochregallager mit K\u00fchlung<\/strong><\/h3>\n

Der LOEWE-CSC, f\u00fcr den er das K\u00fchlkonzept erstmals realisierte, wird mit Wasser aus dem Main gek\u00fchlt. Er gewann prompt den \u201eGreen IT Best Practice Award\u201c des Bundeswirtschaftsministeriums. Der zweite Green IT Cube von betr\u00e4chtlich gr\u00f6\u00dferem Ausma\u00df ist k\u00fcrzlich auf dem Gel\u00e4nde der GSI fertiggestellt worden: Es handelt sich um ein sechsst\u00f6ckiges Geb\u00e4ude mit einer Grundfl\u00e4che, die der des Pr\u00e4sidialgeb\u00e4udes auf dem Campus Westend vergleichbar ist.<\/p>\n

Das Geb\u00e4ude ist wie ein Hochregallager angelegt. Die Computerschr\u00e4nke ruhen auf Stahltr\u00e4gern, wie sie in Parkh\u00e4usern verwendet werden. Ein Geschosspaar wird jeweils zu einer K\u00fchleinheit zusammengefasst. Zurzeit wird das Geb\u00e4ude mit Computern gef\u00fcllt. Insgesamt kann es 768 Schr\u00e4nke mit 35.000 H\u00f6heneinheiten von etwa 4 Zentimetern aufnehmen.<\/p>\n

F\u00fcr die enorme Rechnerleistung, die sp\u00e4ter auf dieser Fl\u00e4che erzeugt werden kann, bekommt man ein Gef\u00fchl, wenn Lindenstruth den Platzbedarf f\u00fcr den neuen Supercomputer angibt, den Physik-Professorin Hanna Petersen erst k\u00fcrzlich f\u00fcr ihre umfangreichen Simulationen angeschafft hat: Die Maschine im Wert von einer dreiviertel Million Euro nimmt gerade mal dreieinhalb Schr\u00e4nke ein. \u201eDas passt locker in eine Ecke\u201c, sagt er.<\/p>\n

Zurzeit hat der Green Cube eine K\u00fchlleistung von 4 Megawatt. In der endg\u00fcltigen Ausbaustufe wird sie 12 Megawatt betragen. Im Jahresmittel liegt die zur K\u00fchlung ben\u00f6tigte Energie bei unter 7 Prozent des gesamten Strombedarfs. \u201eWir sind gerade dabei, f\u00fcr den Green IT Cube den blauen Engel zu beantragen\u201c, erkl\u00e4rt der Erfinder.<\/p>\n

Schneller dank intelligenter Software<\/strong><\/h3>\n

Die dritte S\u00e4ule des Supercomputing ist die Software. In den letzten Jahren hat man die Rechenleistung stark erh\u00f6hen k\u00f6nnen, indem man die Rechenschritte so weit wie m\u00f6glich in Teilaufgaben unterteilt, die von vielen Prozessoren gleichzeitig bearbeitet werden. Heute laufen in einem Supercomputer an die Zigtausende bis Millionen Rechnungen parallel. Gebremst wird der Prozess, wenn Prozessoren zu lange auf Zwischenergebnisse warten m\u00fcssen.<\/p>\n

Um den Ausl\u00f6ser zu finden, ist h\u00e4ufig eine aufw\u00e4ndige Fehlersuche notwendig. Ein weiteres Hemmnis ist, dass die Prozessoren zwar immer schneller werden, aber nicht der Zugriff auf den Speicher. Lindenstruth veranschaulicht das durch den Vergleich mit einem gro\u00dfen Geb\u00e4ude wie der EZB. \u201eMan kann keine 10- bis 20-st\u00f6ckige Stra\u00dfe an das Geb\u00e4ude bauen, damit alle Mitarbeiter z\u00fcgig an ihren Arbeitsplatz kommen\u201c, erkl\u00e4rt er.<\/p>\n

Bei Supercomputern geht es inzwischen oft schneller, wenn man einen Wert neu berechnet, anstatt ihn aus dem Speicher abzurufen. Deshalb stecken Lindenstruth und sein Team auch viel Zeit in die Verbesserung der Software f\u00fcr Parallelrechner. Es konnten bei einigen wissenschaftlichen Beispielen sehr rechenaufw\u00e4ndige Probleme nur durch Umschreiben der Algorithmen und Datenstrukturen Geschwindigkeitssteigerungen von mehr als dem 100-fachen erreicht werden.<\/p>\n

Wenn man die sehr hohen Anschaffungs- und Betriebskosten dieser Computer ber\u00fccksichtigt, dann wird die besondere Bedeutung dieser Verbesserungen klar. Und was macht Volker Lindenstruth in seiner Freizeit? Da sitzt er an seinem B\u00f6sendorfer Fl\u00fcgel und \u00fcbt Brahms. Zwar kann er nicht mehr, wie in seiner Jugend, vier Stunden t\u00e4glich \u00fcben, aber er nimmt jetzt Privatstunden bei seinem damaligen Lehrer am Dr. Hochs Konservatorium.<\/p>\n

Dieser Artikel ist in der <\/em><\/strong>Ausgabe 1.17 (PDF-Download)<\/em><\/strong><\/a> des UniReport erschienen.<\/em><\/strong><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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