Was ist High Performance Computing?

High Performance Computing (HPC), im Deutschen auch als Hochleistungsrechnen bezeichnet, ist die Nutzung von Supercomputern und parallelen Verarbeitungstechniken zur Lösung komplexer Rechenprobleme. HPC-Systeme erreichen dabei Rechenleistungen im Petaflops-Bereich - das entspricht Billiarden von Rechenoperationen pro Sekunde. Diese außergewöhnliche Leistung ermöglicht es, wissenschaftliche und technische Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen Computern unlösbar wären.

Die Definition von High Performance Computing umfasst drei zentrale Komponenten: Erstens die Hardware-Infrastruktur bestehend aus Tausenden von Prozessoren, Beschleunigern und spezialisierten Speichersystemen. Zweitens die Software-Architektur, die parallele Verarbeitung und optimierte Algorithmen ermöglicht. Drittens die Netzwerk-Infrastruktur, die eine Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen allen Komponenten gewährleistet.

Im November 2024 führt das El Capitan System des Lawrence Livermore National Laboratory die TOP500-Liste mit einer Leistung von 1,742 Exaflops an. Diese Entwicklung markiert den Beginn der Exascale-Ära, in der Supercomputer mehr als eine Trillion Rechenoperationen pro Sekunde durchführen können. MEGWARE ist mit acht Systemen in der aktuellen TOP500-Liste vertreten, darunter das Helma-System der Universität Erlangen auf Platz 51 weltweit.

Der fundamentale Unterschied zwischen HPC und herkömmlichem Computing liegt in der Parallelverarbeitung. Während ein Desktop-Computer Aufgaben in der Regel sequenziell abarbeitet und für sich isoliert rechnen, teilen HPC-Systeme komplexe Probleme in Tausende kleinere Teilaufgaben auf, die simultan auf mehreren Servern bearbeitet werden. Diese Herangehensweise ermöglicht es beispielsweise, Wettervorhersagen in Stunden statt Wochen zu berechnen oder molekulare Interaktionen in der Medikamentenentwicklung in Echtzeit zu simulieren.

Vorteile und Merkmale von HPC-Systemen

• Extrem hohe Rechenleistung durch die gleichzeitige Verarbeitung tausender Aufgaben (Paralleles Rechnen) z. B. durch GPUs.
• Cluster-Architektur: Viele einzelne Rechner (Nodes) arbeiten vernetzt zusammen.
• Hohe Geschwindigkeit und Effizienz bei der Bearbeitung großer Datenmengen.
• Skalierbarkeit: Rechenleistung lässt sich flexibel erweitern.

Typische Anwendungsbereiche von High Performance Computing

• Wissenschaft & Forschung: Klimasimulation, Astrophysik, Teilchenphysik
• Medizin & Biotechnologie: Genanalyse, Medikamentenentwicklung
• Industrie & Technik: Strömungsmechanik, Struktur- und Materialsimulation
• Wirtschaft & Finanzen: Risikoanalyse, Big Data, KI-Modelle
• Künstliche Intelligenz: Training von Deep-Learning-Modellen

Warum ist HPC wichtig?

High Performance Computing ermöglicht Durchbrüche in Wissenschaft, Technologie und Industrie. Ohne HPC wären viele moderne Innovationen – von präzisen Wetterprognosen bis zu neuen Impfstoffen – kaum realisierbar. Besonders bei Big Data und KI spielt HPC eine entscheidende Rolle.

Die Funktionsweise von High Performance Computing basiert auf dem Prinzip der massiven Parallelverarbeitung. Ein HPC-Cluster besteht aus Hunderten bis Tausenden von Rechenknoten, die über ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk miteinander verbunden sind. Jeder Knoten verfügt über mehrere Prozessoren (CPUs) und zunehmend auch über spezialisierte Beschleuniger wie GPUs oder FPGAs.

Die Architektur eines modernen HPC-Systems folgt einem hierarchischen Aufbau. An der Basis stehen die Compute-Nodes, ausgestattet mit aktuellen Prozessoren wie AMD EPYC der 5. Generation mit bis zu 192 Kernen oder Intel Xeon Scalable Prozessoren. Diese werden ergänzt durch GPU-Beschleuniger wie NVIDIA B200 oder AMD Instinct MI400, die besonders für KI- und wissenschaftliche Berechnungen optimiert sind. Die Verbindung erfolgt über Hochleistungs-Interconnects wie InfiniBand, Omnipath, oder UltraEthernet, die Datenübertragungsraten im Bereich von Tausenden Gigabit pro Sekunde ermöglichen.

Ein kritischer Aspekt moderner HPC-Systeme ist das Thermomanagement. Die enorme Rechenleistung erzeugt erhebliche Abwärme, die effizient abgeführt werden muss. MEGWARE's EUREKA Technologie nutzt hierfür Direct Water Cooling (DLC), um alle Komponenten eines Servers mit Vorlauftemperaturen von bis zu 50°C zu kühlen. Diese innovative Lösung ermöglicht nicht nur eine ganzjährige Freikühlung ohne energieintensive Kältemaschinen, sondern auch die Nutzung der Abwärme für Gebäudeheizung oder Fernwärmenetze. 

Die Softwareseite eines HPC-Systems ist ebenso komplex wie die Hardware. Parallele Programmiermodelle wie MPI (Message Passing Interface) und OpenMP ermöglichen es, Anwendungen auf Tausende von Prozessorkernen zu verteilen. Moderne HPC-Systeme nutzen zudem Container-Technologien wie Apptainer für portable und reproduzierbare Softwareumgebungen. Job-Scheduler wie SLURM orchestrieren die Ressourcenverteilung und stellen sicher, dass alle Komponenten optimal ausgelastet sind.

Die Speicherarchitektur in HPC-Systemen folgt ebenfalls einem hierarchischen Ansatz. Parallele Dateisysteme wie Lustre oder BeeGFS ermöglichen es, dass Tausende von Rechenknoten gleichzeitig auf Daten zugreifen können. Moderne Systeme integrieren zudem Burst-Buffer mit NVMe-SSDs, die als Zwischenspeicher für besonders I/O-intensive Anwendungen dienen. Das Helma-System der Uni Erlangen verfügt beispielsweise über ein 5 Petabyte großes All-Flash Speichersystem.

Bekannte HPC-Systeme

• El Capitan (USA): Derzeit einer der schnellsten Supercomputer der Welt
• JUPITER (Deutschland): Europas erstes Exascale-HPC-System am Forschungszentrum Jülich
• Fugaku (Japan): Für medizinische Forschung und Klimasimulationen

Seit der Gründung im Jahr 1990 hat sich MEGWARE zu einem der führenden HPC-Spezialisten Europas entwickelt. Mit zahlreichen HPC-Projekten und aktuell acht Systemen in der TOP500-Liste demonstriert das Unternehmen kontinuierliche Innovationskraft. Das Helma-System der Universität Erlangen, auf Platz 51 der TOP500 und Capella-System der TU Dresden, Platz 6 der Green500-Liste, zeigt die Verbindung von Höchstleistung und Energieeffizienz.

Als vollständig in Deutschland entwickelndes und produzierendes Unternehmen vereint MEGWARE alle Kompetenzen unter einem Dach in Chemnitz. Die mehr als 50 hochqualifizierten Mitarbeiter decken das gesamte Spektrum von der Beratung über die Entwicklung bis zum Service ab. Die hauseigene Produktion ermöglicht kundenspezifische Konfigurationen und garantiert höchste Qualitätsstandards nach DIN EN ISO 9001:2008.

Die Partnerschaft mit führenden Technologieanbietern wie Intel, AMD und NVIDIA, sichert Zugang zu neuesten Technologien. MEGWARE war beispielsweise mit dem CooLMUC-3 am LRZ das weltweit erste Unternehmen, das ein zu 100% mit direkter Warmwasserkühlung betriebenes HPC-System realisierte. Diese Pionierleistung wurde von Dr. Herbert Huber vom LRZ als "Pilotsystem für zukünftige Systemkühlungskonzepte" gewürdigt.

MEGWAREs Stärke liegt in der ganzheitlichen Betreuung von HPC-Projekten. Von der initialen Bedarfsanalyse über die Systemarchitektur bis zur Inbetriebnahme und dem laufenden Support bietet das Unternehmen alles aus einer Hand. Die proprietären Technologien wie ClustWare® für Cluster-Management und EUREKA für flexible heißwasser gekühlte Serverlösungen ergänzen das Portfolio. 

Die europäische Perspektive ist ein zentraler Wettbewerbsvorteil. Während viele Anbieter US-zentriert agieren, versteht MEGWARE die spezifischen Anforderungen europäischer Kunden - von DSGVO-Compliance über EU-Energieeffizienzrichtlinien bis zu lokalen Supportanforderungen. Die Mitgliedschaft in der European Technology Platform for High Performance Computing (ETP4HPC) unterstreicht das Engagement für die europäische HPC-Landschaft.

Was ist der Unterschied zwischen HPC und Cloud Computing? Während Cloud Computing auf Virtualisierung und geteilten Ressourcen basiert, nutzt HPC dedizierte Hardware mit Hochgeschwindigkeitsverbindungen für maximale Performance. HPC-Systeme sind für rechenintensive, parallele Workloads optimiert, während Cloud-Systeme Flexibilität und Skalierbarkeit für diverse Anwendungen bieten. Moderne Ansätze kombinieren beide Welten im Hybrid-HPC-Konzept.

Wie viel kostet ein HPC-System? Die Kosten variieren stark je nach Anforderungen.  Entscheidend ist die Total Cost of Ownership (TCO), die neben Anschaffung auch Energie, Kühlung und Wartung umfasst. MEGWAREs energieeffiziente Lösungen reduzieren die Betriebskosten signifikant.

Welche Programmiersprachen werden für HPC verwendet? Die dominierenden Sprachen im HPC sind C, C++ und Fortran, ergänzt durch parallele Programmiermodelle wie MPI und OpenMP. Zunehmend gewinnen auch Python mit wissenschaftlichen Bibliotheken und CUDA für GPU-Programmierung an Bedeutung. Die Wahl hängt von der spezifischen Anwendung und der verfügbaren Software-Infrastruktur ab.

Wie wird die Leistung von HPC-Systemen gemessen? Die primäre Metrik ist FLOPS (Floating Point Operations Per Second), gemessen durch den LINPACK-Benchmark für die TOP500-Liste. Weitere wichtige Metriken sind Energieeffizienz (FLOPS/Watt für Green500), Speicherbandbreite, Netzwerklatenz und anwendungsspezifische Benchmarks. Die Real-world Performance unterscheidet sich oft von theoretischen Spitzenwerten.

Welche Rolle spielt Künstliche Intelligenz im HPC? KI und HPC verschmelzen zunehmend. HPC-Systeme trainieren große KI-Modelle, während KI-Methoden HPC-Anwendungen optimieren. Beispiele sind KI-gestützte Wettervorhersagen, molekulare Simulationen mit Machine Learning und intelligente Ressourcenallokation. Moderne HPC-Architekturen integrieren spezialisierte KI-Beschleuniger für optimale Performance.

Wie nachhaltig ist High Performance Computing? Moderne HPC-Systeme setzen auf Energieeffizienz durch innovative Kühlkonzepte, optimierte Hardware und intelligente Lastverteilung. Die MEGWARE Plattform EUREKA reduziert den Energieverbrauch für Kühlung. Die Nutzung von Abwärme und der Einsatz erneuerbarer Energien machen HPC zunehmend nachhaltiger. Die Green500-Liste honoriert die energieeffizientesten Supercomputer weltweit.