Top 12 Supercomputer 2021: Rankings & Performance-Einblicke

Für die meisten von uns wirkt ein Computer schnell genug, wenn er 8K-Videos oder das neueste Far Cry in 60 fps ohne Ruckeln abspielt. Doch es gibt viele komplexe Aufgaben, die Milliarden Berechnungen pro Sekunde erfordern – etwas, das ein Desktop mit i9-Prozessor nicht leisten kann.

Hier kommen Supercomputer ins Spiel. Sie bieten ein Leistungsniveau, das Regierungen und Organisationen ermöglicht, Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen Computern unmöglich wären.

Heutige Supercomputer werden mit KI-Workloads (künstliche Intelligenz) im Hinterkopf gebaut. Neben Wettervorhersage, Klimaforschung, physikalischen Simulationen und Öl- und Gasexploration helfen Supercomputer Wissenschaftlern, widerstandsfähigere Baumaterialien zu entdecken und menschliche Proteine und Zellsysteme in extremem Detailgrad zu untersuchen.

Üblicherweise wird die Supercomputer-Leistung in Fließkommaoperationen pro Sekunde (FLOPS) gemessen. Im Bereich wissenschaftlicher Berechnungen ist FLOPS eine präzisere Kennzahl als Anweisungen pro Sekunde.

Wussten Sie, dass der erste Supercomputer – der Livermore Atomic Research Computer – 1960 für das US Navy Research and Development Centre gebaut wurde?

Um zu zeigen, wie weit wir seit damals gekommen sind, haben wir eine detaillierte Liste der schnellsten Supercomputer der Welt zusammengestellt. Alle sind nicht-verteilte Computersysteme, die auf Linux laufen.

12. Sequoia

Geschwindigkeit: 17,1 PetaFLOPS
Kerne: 1.572.864

Hersteller: IBM
Standort: Lawrence Livermore National Laboratory, USA

Sequoia nutzt IBMs BlueGene/Q-Server für eine theoretische Spitzenleistung von 20 PetaFLOPS. Es hat 123 % mehr Kerne und ist 37 % energieeffizienter als sein Vorgänger, der K-Computer.

Obwohl die Maschine 주로 für Nuklearwaffensimulationen genutzt wird, steht sie auch für wissenschaftliche Zwecke wie Klimawandel- und Humangenom-Analysen zur Verfügung. Sie demonstrierte auch große Skalierbarkeit mit einer 3D-Simulation der Elektrophysiologie des menschlichen Herzens.

11. PANGEA III

Credit: Total S.A.

Geschwindigkeit: 17,8 PetaFLOPS
Kerne: 291.024

Hersteller: IBM
Standort: CSTJF Technisches und wissenschaftliches Forschungszentrum in Pau, Frankreich

Pangea III basiert auf IBMs KI-optimierter High-Performance-Architektur. IBM und NVIDIA bauten gemeinsam die branchenweit einzige CPU-zu-GPU-NVLink-Verbindung, die über 5-mal schnellere Speicherbandbreite zwischen IBM POWER9 CPU und NVIDIA Tesla V100 Tensor Core GPUs ermöglicht als herkömmliche x86-Systeme.

Die Architektur verbessert nicht nur die Rechenleistung, sondern auch die Energieeffizienz. Das neue System verbraucht weniger als 10 % der Energie pro PetaFLOP im Vergleich zu seinen Vorgängern Pangea I und II.

Pangea III findet Anwendung in drei Hauptbereichen: Exploration und Entwicklung seismischer Bildgebung, Entwicklungs- und Produktionsmodelle sowie Asset-Bewertung und Selektivität.

10. Lassen

Geschwindigkeit: 18,2 PetaFLOPS
Kerne: 288.288

Hersteller: IBM
Standort: Lawrence Livermore National Laboratory, USA

Lassen ist für unklassifizierte Simulation und Analyse vorgesehen. Es ist im selben Labor installiert und nutzt dieselben Bausteine wie Sierra (#2 der schnellsten Supercomputer).

Zwar ist Sierra ein großes System, doch Lassen hat für sich genommen eine respektable Größe: Es ist genau 1/6 der Größe seines großen Bruders. Das Lassen-System ist in 40 Racks untergebracht, während Sierra 240 Racks belegt.

IBM Power9-Prozessoren und 253 Terabyte Hauptspeicher ermöglichen Lassen eine Spitzenleistung von 23 PetaFLOPS.

9. SuperMUC-NG

Geschwindigkeit: 19,4 PetaFLOPS
Kerne: 305.856

Hersteller: Lenovo
Standort: Leibniz-Rechenzentrum, Deutschland

SuperMUC-NG verfügt über 6.400 Lenovo ThinkSystem SD650 Direct-Water-Cooled-Computeknoten mit über 700 Terabyte Hauptspeicher und 70 Petabyte Festplattenspeicher.

Es ist mit leistungsstarken Visualisierungssystemen verbunden, die eine große 4K-stereoskopische Powerwall und eine 5-seitige CAVE-Künstliche-Virtual-Reality-Umgebung umfassen.

Der Supercomputer bedient europäische Wissenschaftler vieler Disziplinen – Genomanalyse, Strömungsdynamik, Quantenchromodynamik, Lebenswissenschaften, Medizin und Astrophysik.

8. AI Bridging Cloud Infrastructure (ABCI)

Credit: ABCI

Geschwindigkeit: 19,8 PetaFLOPS
Kerne: 391.680

Hersteller: Fujitsu
Standort: Nationales Institut für fortgeschrittene industrielle Wissenschaft und Technologie, Japan

Dies ist die weltweit erste groß angelegte Open-AI-Computing-Infrastruktur, die 32,577 PetaFLOPS Spitzenleistung liefert. Sie verfügt über insgesamt 1.088 Knoten, jeder mit 2 Intel Xeon Gold Scalable Prozessoren, 4 NVIDIA Tesla V100 GPUs, 2 InfiniBand EDR HCAs und 1 NVMe SSD.

Fujitsu Limited behauptet, der Supercomputer könne die 20-fache thermische Dichte herkömmlicher Rechenzentren erreichen und eine Kühlkapazität von 70 kW pro Rack durch Heißwasser- und Luftkühlung realisieren.

7. Trinity

Geschwindigkeit: 21,2 PetaFLOPS
Kerne: 979.072

Hersteller: Cray
Standort: Los Alamos National Laboratory, USA

Trinity wurde gebaut, um der NNSA Nuclear Security Enterprise außergewöhnliche Rechenkapazität zu bieten. Ziel ist es, geometrische und physikalische Fidelität in Nuklearwaffensimulationscode zu verbessern, während sichergestellt wird, dass der nukleare Arsenalbestand sicher, geschützt und effektiv bleibt.

Der Supercomputer wurde in zwei Phasen entwickelt: Phase 1 integrierte Intel Xeon Haswell Prozessoren, Phase 2 brachte einen massiven Performanceschub durch Intel Xeon Phi Knights Landing Prozessoren. Die Spitzenleistung liegt bei über 41 PetaFLOPS.

6. Piz Daint

Geschwindigkeit: 21,2 PetaFLOPS
Kerne: 387.872

Hersteller: Cray
Standort: Schweizerisches Nationales Supercomputing-Zentrum, Schweiz

Dieser nach dem Berg Piz Daint in den Schweizer Alpen benannte Supercomputer läuft auf Intel Xeon E5-26xx Mikroprozessoren und NVIDIA Tesla P100.

Piz Daint nutzt DataWarps „Burst Buffer Mode“, um die effektive Bandbreite zu und von Speichergeräten zu erhöhen. Dies beschleunigt Daten-Ein-/Ausgabe-Raten und erleichtert die Analyse von Millionen kleiner, unstrukturierter Dateien.

Zusätzlich zu seinen Routineaufgaben kann es die Datenanalyse einiger der datenintensivsten Projekte der Welt bewältigen – wie Daten aus Experimenten am Large Hadron Collider.

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5. Frontera

Blick zwischen zwei Reihen von Frontera-Servern | Credit: TACC

Geschwindigkeit: 23,5 PetaFLOPS
Kerne: 448.448

Hersteller: Dell EMC
Standort: Texas Advanced Computing Center, USA

Frontera eröffnet neue Möglichkeiten in Ingenieurwesen und Forschung, indem es umfangreiche Rechenressourcen bereitstellt, die Wissenschaftlern helfen, komplexe Herausforderungen über diverse Domänen zu meistern.

Frontera verfügt über zwei Computingsubsysteme: Das erste fokussiert sich auf Double-Precision-Performance, das zweite auf Single-Precision-Stream-Memory-Computing. Zudem besitzt es Cloud-Interfaces und multiple Applikationsknoten für virtuelle Server.

4. Tianhe-2A

Tianhe-2 im Nationalen Supercomputing-Zentrum in Guangzhou

Geschwindigkeit: 61,4 PetaFLOPS
Kerne: 4.981.760

Hersteller: NUDT
Standort: Nationales Supercomputing-Zentrum in Guangzhou, China

Mit über 16.000 Computeknoten stellt Tianhe-2A die weltweit größte Installation von Intel Ivy Bridge und Xeon Phi Prozessoren dar. Während jeder Knoten 88 Gigabyte Speicher hat, beträgt der Gesamtspeicher (CPU + Coprozessor) 1.375 Tebibyte.

China investierte 2,4 Milliarden Yuan (ca. 390 Mio. US-Dollar) in den Bau dieses Supercomputers. Er wird nun 주로 für Simulationen, Analysen und Regierungsanwendungen genutzt.

3. Sunway TaihuLight

Geschwindigkeit: 93 PetaFLOPS
Kerne: 10.649.600

Hersteller: NRCPC
Standort: Nationales Supercomputing-Zentrum in Wuxi, China

Die Rechenkraft von TaihuLight stammt von einem heimischen Mehrkern-SW26010-Prozessor, der sowohl Rechen- als auch Verwaltungsprozesselemente umfasst.

Ein einzelner SW26010 liefert eine Spitzenleistung von über 3 TeraFLOPS, dank seiner 260 Verarbeitungselemente (integriert in einer CPU). Jedes Rechenelement verfügt über ein Scratchpad-Memory, das als nutzerkontrollierter Cache dient und den Speicherflaschenhals in den meisten Anwendungen erheblich reduziert.

Neben Lebenswissenschaften und Pharmaforschung wurde TaihuLight genutzt, das Universum mit 10 Billionen digitalen Partikeln zu simulieren. China strebt jedoch mehr an: Das Land hat bereits das Ziel ausgerufen, bis 2030 führend in KI zu sein.

2. Sierra

Bildquelle: Wikimedia

Geschwindigkeit: 94,6 PetaFLOPS
Kerne: 1.572.480

Hersteller: IBM
Standort: Lawrence Livermore National Laboratory, USA

Sierra bietet bis zu 6-fache nachhaltige Performance und 7-fache Workload-Performance seines Vorgängers Sequoia. Es kombiniert zwei Prozessortypen: IBMs Power 9 Prozessoren und NVIDIAs Volta GPUs.

Sierra ist speziell für die Bewertung der Leistung von Nuklearwaffensystemen konzipiert. Es wird für prädiktive Anwendungen im Stockpile Stewardship eingesetzt – dem US-Programm zur Zuverlässigkeitstestung und -wartung von Nuklearwaffen ohne Nukleartests.

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1. Summit

Bildquelle: ORNL

Geschwindigkeit: 148,6 PetaFLOPS
Kerne: 2.414.592

Hersteller: IBM
Standort: Oak Ridge National Laboratory, USA

Summit kann 200 PetaFLOPS Spitzenleistung liefern. Das entspricht 200 Billiarden Fließkommaoperationen pro Sekunde.

Es ist auch der weltweit dritt-energieeffizienteste Supercomputer mit einer gemessenen Energieeffizienz von 14,66 GigaFLOPS pro Watt.

Summits 4.600+ Server, die die Fläche von zwei Basketballfeldern einnehmen, beherbergen über 9.200 IBM Power9 Prozessoren und mehr als 27.600 NVIDIA Tesla V100 GPUs. Das System ist durch 185 Meilen Glasfaserkabel verbunden und verbraucht Strom für 8.100 Haushalte.

2018 durchbrach Summit als erster Supercomputer die Exascale-Barriere. Bei der Analyse genomischer Daten erreichte es einen Spitzen-Durchsatz von 1,88 ExaOPS – fast 2 Trillionen Berechnungen pro Sekunde.

Die USA streben an, bis nächstes Jahr ein voll funktionsfähiges Exascale-Computing-Ökosystem für wissenschaftliche Studien zu entwickeln – Summit ist ein Schritt dorthin.

1. Fugaku

Geschwindigkeit: 442 PetaFLOPS
Kerne: 7.630.848

Hersteller: Fujitsu
Standort: RIKEN Center for Computational Science, Japan

Mit einer theoretischen Spitzenleistung von 537 PetaFLOPS ist Fugaku der weltweit schnellste Supercomputer. Er ist auch der erste Top-platzierte Supercomputer, der von ARM-Prozessoren angetrieben wird.

Laut HPCG-Benchmark übertrifft Fugakus Leistung die kombinierte Leistung der nächsten vier Top-Supercomputer der Welt.

Ein großer Erfolg für die japanische Regierung, doch die Entwicklung eines so mächtigen Systems war nicht billig. Seit 2014 investierte die Regierung etwa 1 Milliarde US-Dollar in F&E, Anschaffungen und Anwendungsentwicklung.

Fugaku läuft parallel auf zwei Betriebssystemen: Linux und einem „Lightweight Multi-Kernel OS“ namens IHK/McKernel. Linux übernimmt POSIX-kompatible Dienste, während McKernel Hochleistungssimulationen ausführt.

Er ist darauf ausgelegt, hochprioritäre soziale und wissenschaftliche Probleme anzugehen: Wettervorhersage, saubere Energieentwicklung, Arzneimittelforschung, personalisierte Medizin und Erforschung der Quantenmechanik.

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Häufig gestellte Fragen

Welche Software laufen auf Supercomputern?

Fast alle modernen Supercomputer nutzen das Linux-Betriebssystem. Der Hauptgrund ist die Open-Source-Natur von Linux.

Da Supercomputer für spezifische Zwecke konzipiert sind, benötigen sie ein maßgeschneidertes OS, das für diese Anforderungen optimiert ist. Die Entwicklung und Wartung proprietärer Closed-Source-Betriebssysteme ist weitaus teurer und zeitaufwändiger.

Linux hingegen ist kostenlos, zuverlässig und leicht anpassbar. Entwickler können Linux für jeden Supercomputer separat konfigurieren oder Versionen erstellen.

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Wer nutzt Supercomputer?

Supercomputer werden hauptsächlich von Wissenschaftlern und Forschern für rechenintensive Aufgaben in diversen Bereichen eingesetzt:

• Aerodynamische Forschung und Wettervorhersage
• Testen der Verschlüsselungsstärke
• Molekulardynamik-Simulation
• Finanzen und Marktforschung
• 3D-Nukleartestsimulationen
• Arzneimittelforschung
• Weltraumforschung

Welches Land hat die meisten Supercomputer?

Stand 2021 besitzt China 188 der weltweit 500 leistungsstärksten Supercomputer. Die USA haben 122 und Japan 34. Zusammen machen die beiden Top-Länder 62 % der weltweit leistungsstärksten Supercomputing-Maschinen aus.

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Wie sieht die Zukunft von Supercomputern aus?

Laut Technavio-Bericht wird der globale Supercomputermarkt zwischen 2021 und 2025 um 12,5 Milliarden US-Dollar wachsen – bei einer CAGR von 20 % im Prognosezeitraum.

Der Hauptgrund ist der zunehmende Einsatz von KI, Maschinellem Lernen und Cloud-Technologie. Der Bedarf an hochentwickelten Modellen für komplexe Physik, Chemie und Umweltfragen könnte das Wachstum weiter beschleunigen.

Alles in allem wird mit steigenden anspruchsvollen Anwendungen in naher Zukunft die Nachfrage nach Supercomputern zunehmen. Regierungsinstitutionen werden voraussichtlich die umsatzstärksten Endnutzer sein.