DTU's Institut for Fysik er på shoppingtur efter en ny Linux-baseret klynge-computer, der skal bruges til kommatals-baserede intensive numeriske simuleringer ved hjælp af forskernes egenudviklede kode samt kommerciel software. Det skal koste 12 millioner kroner.
»Den skal bruges til at lave kvantemekaniske beregninger, især for materialer. Det kan være forskellige typer materialer: katalysatorer, solceller og batterier. Der er mange egenskaber i disse materialer, man kan beregne ud fra naturlovene. På den måde kan man finde frem til materialer, der har nogle ønskede egenskaber. Det er tæt på grundforskning, men har også anvendte perspektiver,« forklarer Karsten Wedel Jacobsen som er professor ved DTU Fysik.
Den ny klyngecomputer skal spille sammen med DTU Fysiks nuværende af slagsen, Niflheim, som er bygget op i mange etaper med start i 2003.
Den første version bestod af 500 konsum-pc’er, som blev stablet op i kælderen på hylder ved siden af hinanden. Senere er Niflheim blevet opgraderet mange gange.
Mange computere i parallel
Man har skilt sig af med ældre dele og fået ny hardware, men selve grundprincippet om, at der er brug for mange computere i parallel til at lave DTU Fysiks beregninger, har været til stede hele tiden.
»Vi er primært ude efter at kunne lave så mange beregninger som muligt. Vi er mere efter hurtigere beregninger end for eksempel store datamængder. Input/output udgør også små mængder.«
Det handler om intensive beregninger. Den nuværende maskine er 100 procent belagt, og der er altid beregninger til adskillige dage i køen.
»Et eksempel på store beregninger er at finde materialer til vandsplitning. Man vil have materialer, der kan splitte vand i brint og ilt. Så kan man bruge brint som brændstof. En måde at gøre det på er, hvor energien til at splitte vandet kommer fra sollyset. Derfor skal man have materialer, som meget effektivt kan udnytte lyset fra solen. Dem søger vi efter.«
Python med lidt C
DTU Fysik har udviklet sine egne Python-biblioteker, og som tidligere nævnt er det en del af udbuddet, at koden skal køre godt på det kommende system.
»Der er tale om forskellige komponenter, såsom et ‘atomic simulation environment’,« fortæller Karsten Wedel Jacobsen.
»Det er et sæt Python-moduler, der kan bruges til at lave beregninger på atomar skala. Man skal specificere, hvor man har sine atomer i en struktur, og der er Python en fleksibel måde at klare den slags på. Selve vores kvantemekaniske kode er i overvejende grad skrevet i Python. Det har vist sig at være et godt sprog af flere grunde: Det er hurtigt at skrive kode i, og det er fortolket og giver mindre arbejde, fordi man ikke har kompileringsfasen.«
Dertil kommer, at Python er objektorienteret, og at Python har mange år på bagen og kommer med mange standardbiblioteker til bl.a. numerisk behandling:
»NumPy og SciPy bruger vi en masse af.«
Disse biblioteker er implementeret i C og har dermed højere ydelse.
»På samme måde består den kvantemekaniske del af vores kode af fem til ti procents C-kode, men alt det andet er skrevet i Python. Så man får isoleret den del af problemet, der virkelig kræver en hurtigere implementering, og man kan lave resten på en meget fleksibel måde.«
Klynger giver bedst ydelse pr. krone
Klynge-arkitekturen giver DTU Fysik mest computerkraft for pengene i forhold til anvendelsen.
»Supercomputere bør nu om dage designes til de opgaver, den skal løse optimalt, i stedet for at tilpasse opgaverne til en given maskine,« uddyber Ole Holm Nielsen, som er HPC chefkonsulent hos DTU Fysik.
»Valget af gængse CPU-arkitektur, i modsætning til f.eks. ASICs, FPGA’er eller GPU’er, har at gøre med strukturen af de problemer, vi løser. GPU’er er ikke nyttige for os p.t., med den kode vi kører,« mener Karsten Wedel Jacobsen.
DTU Fysik har i udbuddet bedt om CPU’er, som giver maksimal regnekraft og hukommelsesbåndbredde til de vigtigste opgaver. Forholdet mellem pris og ydelse er også inde i billedet.
En del af udbuddet handler også om test af den kode, som DTU Fysik arbejder med, for det er bedst at afprøve den i praksis.
»I vores verden er der ikke nogen, der benytter FPGA’er eller ASIC’s, da de er skræddersyet til én bestemt og veldefineret opgave. Alle vores brugere har forskellige opgaver og behov, så vi er ikke ude i esoterisk hardware,« siger Ole Holm Nielsen.
Exascale i fremtiden
»Man taler meget i vores felt om ‘exascale computing’, hvor man overvejer, hvordan man kan få langt højere ydelse end i dag – hvilken arkitektur skal man gå efter? Hvis man har 100.000 noder, er man stadig i stand til at lave vores typer af beregninger? Det er næsten et forskningsområde i sig selv,« siger Karsten Wedel Jacobsen.
Med exascale computing tænkes på afvikling i skala med exaflops – altså 10^18 kommatals-operationer pr. sekund.
»Et af de store problemer med exascale er software-arkitektur,« fortæller Ole Holm Nielsen.
Det er nemlig endnu ikke klart, hvordan skal man programmere en fremtidig exascale-computer.
»Det er et forskningsområde i sig selv. Det er heller ikke givet, at alle vores typer af problemstillinger egner sig til den type af meget store computere. Vi har mange mindre opgaver.«
Hundredevis af brugere
Den nuværende klynge har omkring 50 aktive brugere til alle tider. Der er ca. 100-200 stykker, som har en konto i systemet. Derudover kommer et antal brugere, som kun er aktive indimellem, for eksempel i forbindelse med studenterprojekter.
Brugerne har også deres egne lokale workstations, hvorpå de kan udvikle programmer til klyngen på - og så er der nogle få noder på maskinen, som er dedikeret til interaktiv udvikling.
Brugernes opgaver sættes i kø, når de skal afvikles på den nuværende klynge. Der er altid mange job i køen, så maskinen er fuldt belagt. Det er for at få den optimale brug af maskinen.
»Tilbage i 1980’erne snakkede man om, at Moores lov ville blive ‘jævnet ud’, men i virkeligheden er ydelsen blevet speedet op – man får mere og mere ydelse pr. dollar. Om ti år kan man lave de samme beregninger meget hurtigere. Vi ser frem til at få den nye computer, for der er lang opgave-kø på den, vi har i øjeblikket. Så det bliver en fornøjelse.«
DTU Fysik håber at få den nye computer leveret omkring nytår, og så går der ikke så lang tid, før den er i drift. Ethernet-kabling installerer DTU’s egne elektrikere.
...men det er dyrt at lave god journalistik. Derfor beder vi dig overveje at tegne abonnement på Version2.
Digitaliseringen buldrer derudaf, og it-folkene tegner fremtidens Danmark. Derfor er det vigtigere end nogensinde med et kvalificeret bud på, hvordan it bedst kan være med til at udvikle det danske samfund og erhvervsliv.
Og der har aldrig været mere akut brug for en kritisk vagthund, der råber op, når der tages forkerte it-beslutninger.
Den rolle har Version2 indtaget siden 2006 - og det bliver vi ved med.
