Hitzestau im Supercomputer

Der Energieverbrauch ist heute der limitierende Faktor bei der Entwicklung leistungsstarker Rechner. Forscher suchen nach Prozessen, die so effizient arbeiten wie das menschliche Gehirn.

Der Computer wird in Zukunft mehr denn je dem Gehirn gleichen. Bionik, die Umsetzung biologischer Prinzipien in die Technik, ist eine der Forschungsrichtungen bei IBM (IBM 159.29 -1.00%) Research in Rüschlikon, einem der neun Institute, in denen der Computerkonzern eigene Grundlagenforschung betreibt. «Die Computerbranche hat viel für die Forschung in der Biologie getan, vielleicht kann sie umgekehrt auch von der Biologie profitieren», sagt Bruno Michel, Leiter einer Forschungsgruppe in Rüschlikon.

Vorbild für die Computerforscher ist das menschliche Gehirn, in dem die Funktionselemente zehntausendmal dichter gepackt sind und zehntausendmal weniger Energie verbrauchen als ein heutiges Computersystem. Das müsste für die Technik in einigen Jahren ebenfalls erreichbar sein, glaubt Bruno Michel. Er spricht davon, dass die Leistung eines Supercomputers im Volumen eines Würfelzuckers Platz finden könnte. Was die Rechenkapazität betrifft, scheint das angesichts der Entwicklung der Transistoren durchaus möglich, das Problem dabei ist der Energieverbrauch. Je dichter gepackt die Chips sind, desto heisser wird es im Computer. Seine Leistung wird durch die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems begrenzt.

Mit Wasser gekühlt

In den IBM-Labors wird an dreidimensionalen Chips gearbeitet, in denen die internen Leiterbahnen wesentlich kürzer sind als bei einer zweidimensionalen Anordnung. Die Verbindungen zwischen Speicher- und Rechenelementen sind nämlich der Engpass im Computer. Hier entstehen Zeit- und Energieverluste. Dichter gepackt, arbeiten die Einzelteile besser zusammen. Mit 5 Kilowatt pro Kubikzentimeter erreicht ein Chipstapel immer noch eine zehnmal grössere Leistungsdichte als ein Automotor, für die Kühlung ist aber kaum Platz vorhanden. Statt mit Luft wird mit Wasser gekühlt, das durch winzige Kanäle von etwa 50 Mikrometer (Tausendstelmillimeter) Durchmesser geleitet wird.

Die dreidimensionale Chiparchitektur und die haarfeinen Kühlkanäle gibt es erst im Labor. Mit Wasserkühlung hat IBM aber bereits Erfahrungen gesammelt beim Supercomputer Aquasar der ETH. Das dort anfallende Kühlwasser wird für die Gebäudeheizung genutzt. Da keine Kältemaschine benötigt wird, reduziert sich der Stromverbrauch der Anlage um 40 Prozent, die CO2-Belastung sinkt um 85 Prozent. Für die grossen Rechenzentren sind heute Energieversorgung und Kühlung die wichtigsten Kostenfaktoren, der Kaufpreis der Supercomputer dagegen spielt nur noch eine untergeordnete Rolle. IBM allein hat als einer der grossen Betreiber von Rechenzentren eine Stromrechnung von rund 500 Millionen Dollar. «Und dafür gibt es vor allem heisse Luft», sagt Michel pointiert. Die Umsetzung der Betriebsenergie in Rechenleistung liege bei einem Bruchteil eines Prozents.

Das menschliche Gehirn arbeitet viel kühler als Computer, dass uns bisweilen die Köpfe rauchen, kann nur im übertragenen Sinne verstanden werden. Die Natur ist der Technik vor allem voraus, wenn es um die Effizienz geht. Vom Gehirn werden etwa 10 Prozent für Energiezufuhr und Wärmeregulierung verwendet, 20 Prozent für Operationen, 70 Prozent für Kommunikation. Vom Computer werden 96 Prozent für den Wärmehaushalt benötigt, 1 Prozent für Kommunikation und ein Tausendstelpromille (ppm) für die tatsächlich arbeitenden Elemente.

Den Forschern bei IBM Research schwebt vor, dass sich in einigen Jahrzehnten beim Computer ähnliche Werte wie im Gehirn erreichen lassen. Gedacht wird insbesondere daran, die Energiezufuhr und die Kühlfunktion – wie das Gehirn dies tut – mit dem gleichen System auszuführen. Gelingen soll dies mit der Kombination von zwei Kühlflüssigkeiten, die gleichzeitig als Teile einer sogenannten Redox-Flow-Batterie fungieren und bei ihrem Zusammentreffen Strom erzeugen.

Jedem Computer ein Kraftwerk

Die Informationstechnik verbraucht heute 2 Prozent des weltweiten Energiebedarfs, gleich viel wie der Luftverkehr. Während Jahrzehnten profitierte die Computerbranche von der Miniaturisierung, welche die Geräte immer leistungsfähiger machte. Seit 2003 aber steigt die Effizienz der Prozessoren nicht mehr, für mehr Rechenleistung muss mehr Energie aufgewendet werden, womit auch die Wärmebelastung steigt. Der im Bau befindliche IBM-Supercomputer im Leibniz-Rechenzentrum für die Münchner Hochschulen braucht 8 Megawatt Strom, zweimal die Leistung des kleinen Zürcher Kraftwerks im Letten. Werden die Superrechner noch grösser, wird bald jedes Rechenzentrum sein eigenes Kraftwerk benötigen.

Dass die Supercomputer immer mehr leisten sollen, ist offensichtlich. Ihre Leistungsfähigkeit wird in der Einheit Flop/s gemessen, das ist die Anzahl Operationen pro Sekunde. Die Anlage SuperMUC in München, die dieses Jahr in Betrieb gehen wird, soll 3 Petaflops erreichen. Dem Laien hilft beim Verständnis dieses Werts nur ein Vergleich: Drei Milliarden Menschen müssten pro Sekunde je eine Million Berechnungen ausführen oder mehr als 110'000 PC müssten sich in die Aufgabe teilen. Rechner, die bei gleichem Energieeinsatz 300-mal schneller sind, sollen noch in diesem Jahrzehnt auf den Markt kommen.

Gefragt sind die immensen Rechenleistungen im Bereich von Peta- oder Exaflops beispielsweise bei der Erforschung des Klimas oder in der Astronomie, wo riesige Datenmengen verarbeitet werden müssen. Aber auch für die Erforschung von künftigen Energieversorgungsnetzen oder von Kernwaffen ohne Versuche. Neben die beiden klassischen Vorgehensweisen Theorie oder Experiment und Beobachtung tritt immer mehr eine dritte Säule der wissenschaftlichen Arbeitsweise, die Simulation. Die Welt wird zu Versuchszwecken virtuell neu erschaffen – ohne Supercomputer ist das nicht zu machen. (DerBund.ch/Newsnet)

Erstellt: 26.02.2012, 11:36 Uhr

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