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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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1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
An
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nen
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freq
uen
z (M
Hz)
Jahr
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
Performanceoptimierung von parallelen ProgrammenDie Formel 1 der Informatik
Philipp Gschwandtner, Universität Innsbruck, 28. September 2018