Performanceoptimierung von parallelen ProgrammenDie Formel 1 der Informatik

Philipp Gschwandtner, Universität Innsbruck, 28. September 2018

Was ist „Hochleistungsrechnen“?

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Englisch „HPC – High Performance Computing“

Wikipedia: „[…] Rechenarbeiten, deren Bearbeitung einer hohen Rechenleistung oder Speicherkapazität bedarf“ [1]

Schneller Fortschritt verhindert genaue Definition

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Hochleistungsrechnen

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Problemstellung: Wettervorhersage

Bild auf der rechten Seite benötigt auf einem PC 1 Woche zum Rechnen

Man braucht diese Bilder aber jeden Tag aufs Neue!

Was tun?

Wozu brauche ich das?

Quelle: https://www.zamg.ac.at/cms/de/wetter/wetteranimation/aladin_animation.php?imgtype=0 (28.09.2018, 14:00)

Performanceoptimierung: Frequenz erhöhen?

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Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=NxNUK3U73SI

Taktfrequenz und Anzahl an Kerne - Trend von 1970 bis heute

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Taktfrequenz

Anzahl an Kernen

Taktfrequenz (Trend)

Anzahl an Kernen (Trend)

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Programme, welche aus Teilen bestehen, die gleichzeitig ausgeführt werden können

Beispiel Wettervorhersage Unterteile das Problem in 8x8 = 64

einzelne Blöcke und lass‘ jeden Block auf einem PC rechnen

Arbeitsteilung, nicht Redundanz!

Was sind parallele Programme?

Quelle: https://www.zamg.ac.at/cms/de/wetter/wetteranimation/aladin_animation.php?imgtype=0 (28.09.2018, 14:00)

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Physikalische Simulationen

Auto-Crashtest

Wetter im Weltraum

Ölbohrunfälle am Meer

Medizinische Simulationen

…………………. Simulationen

Weitere Anwendungen

Quellen: https://www.youtube.com/watch?v=5-dn4lnS3s0, https://phys.org/news/2014-06-simulations-space-weather.html

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Steht im CCB (Centrum für Chemie und Biomedizin, Innrain 80)

Kerne: 1344

RAM: ca. 5 TB

Festplattenspeicher: 147 TB

Der Schnellste in Innsbruck: LEO 4

Quelle: https://www.uibk.ac.at/fakultaeten/chemie_und_pharmazie/index.html.de

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Steht in Wien (Arsenalgelände)

Leistungsdaten Kerne: 32320

Arbeitspeicher: 130 TB

Festplattenspeicher: 500 TB

Liegt in Öl!

Stromkosten: halbe Million Euro im Jahr

Der Schnellste in Österreich: VSC-3

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Aufbau von JUWELS (Forschungszentrum Jülich, Deutschland)

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Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=8Y8zTG2a-UE

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Steht in Oak Ridge, Tennessee, USA

Kerne: Über 2 Millionen

RAM: 2800 TB

Festplattenspeicher: 250 000 TB

Leistungsaufnahme: ca. 9 Gigawatt Zum Vergleich: Leistungsaufnahme von

Innsbruck im Schnitt ca. 90 Gigawatt!

Der Schnellste weltweit: Summit

Quelle: https://www.hpcwire.com/2018/06/08/ornl-summit-supercomputer-is-officially-here/

Vergleich mit Formel 1

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Sehr forschungsnah, neue Technologien, schnelle Entwicklung

Extrem teuer (Anschaffungskosten, Stromkosten) Summit: 200 Millionen US-Dollar

Nur für spezielle Zwecke geeignet (kein Steam, Netflix, Spotify, …) Teilweise sehr komplexe Bedienung

Betriebssystem: Linux!

Umweltaspekte werden immer wichtiger (Abwärme!)

Wie kann man Programme optimieren?

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Bekommt jeder Kern gleich viel Arbeit?

Falls nicht: Wie Arbeit zuteilen?

Wie oft müssen die Kerne miteinander reden?

Je seltner desto besser

Programm an Eigenschaften von Superrechner anpassen

Grafikkarten vorhanden?

Spezialhardware vorhanden?

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Macht eigenen Computer zum Teileines weltweiten “Supercomputers”

Verschiedene Anwendungen

seti@home – Suche nachAußerirdischen

folding@home – medizinischeSimulationen

…

Supercomputer @ home: BOINC Projekt

Quellen: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Setiathomeversion5point15.png,https://en.wikipedia.org/wiki/Arecibo_Observatory#/media/File:The_Arecibo_Observatory_20151101114231-0_8e7cc_c7a44aca_orig.jpg

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