08.07.2014 DLR setzt auf T-Systems und Intel

Energieeffizientes High Performance Computing

Von: Volker Grappendorf

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) setzt mithilfe von T-Systems auf energieeffiziente High-Performance-Computing-Lösungen, um Modelltests durch hochdetaillierte Simulationen bei der Flugzeugentwicklung zu ersetzen und die Klimabilanz zu verbessern.

Das DLR beschleunigt die Entwicklungszyklen im Flugzeugbau mit Supercomputern. Eigenen Angaben zufolge besitzt das Institut den schnellsten Superrechner der europäischen Luftfahrtforschung.

Sparsamer, sauberer, leiser – diese Anforderungen soll das Flugzeug der Zukunft gemäß den Vorgaben des Rats für Luft- und Raumfahrtforschung in Europa erfüllen. Entwickelt wird es im Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum, unter anderem vom Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik mit Sitz in Braunschweig. Eine der Hauptaufgaben des Instituts ist es, das Flugverhalten und die Betriebssicherheit von Flugzeugen und Hubschraubern zu optimieren.
Mehr als 150 Naturwissenschaftler und Ingenieure sorgen dafür, dass neu entwickelte Teile und Flugzeuge die künftigen Anforderungen an Sicherheit, Treibstoffverbrauch und Geräuschentwicklung erfüllen. Innovation ist dabei nicht nur in den verschiedenen Disziplinen gefragt, sondern auch im Entwurfsprozess selbst. Denn Entwicklungszeiten und -risiken lassen sich nur mit multidisziplinären, hochwertigen Simulationen des digitalen Flugzeugs minimieren. Und das erfordert enorme Rechenkapazitäten, die die bestehende IT-Infrastruktur nicht mehr bereitstellen konnte.

Mehr Leistung bei reduziertem Energieverbrauch

Professor Dr. Norbert Kroll, Leiter der Abteilung C2A2S2E (Center for Computer Applications in Aerospace Science and Engineering) fasst den Anspruch an das neue System zusammen: „Wir wollen das flugphysikalische Verhalten des Flugzeugs im gesamten Flugbereich simulieren, möglichst bevor das erste Modell gebaut wird.“ Voraussetzung war hierfür, dass die Simulationskapazität im Vergleich zum Vorgängersystem um das 2,5-fache zunehmen musste.

Aber es zählte nicht nur Leistung und eine offene, standardbasierte Architektur. „Wir legen zudem sehr großes Augenmerk auf größtmögliche Energieeffizienz, optimale Werte bei Leistung pro Watt und effiziente Kühlung“, betont Norbert Kroll. Eine Anforderung, die nicht verwundert. Den Löwenanteil von durchschnittlich 40 Prozent verbrauchte dabei die Kühlung. Angesichts steigender Energiekosten schont der Einsatz neuer Kühlkonzepte also nicht nur die Umwelt, sondern auch den Geldbeutel. Auch in Sachen Leistung sind gerade Rechenzentren in der Größe des DLR auf neue Kühlmethoden angewiesen, um das Potential der Supercomputer voll ausschöpfen zu können. So erzielt z. B. Luftkühlung kombiniert mit Warmwasserkühlung gute Ergebnisse. Technologien, wie etwa die Immersionskühlung, versprechen eine Reduzierung des Energie- und Platzbedarfs:

Das Kühlsystem verbraucht bis zu 95 Prozent weniger Energie auf einem Zehntel des Raums, den ein Luftkühlungssystem beansprucht. IT-Verantwortliche, die auf Nummer sicher gehen wollen, entscheiden sich für Anbieter und Lösungen, die flexibel auf unterschiedliche – und wachsende – Anforderungen eingehen können. Nach einem Vergleich entschied man sich beim DLR in Absprache mit dem IT-Dienstleister T-Systems für ein wassergekühltes HPC-System mit SGI ICE-X-Technologie und den Intel Xeon E5-2695v2-Prozessoren, das nicht nur die Anforderungen an die Rechenleistung erfüllt, sondern auch gute Werte in Sachen Energieeffizienz erreicht.

Seit dem Ende des Testbetriebs im Oktober 2013 besitzt das DLR in Braunschweig nun einen der 200 schnellsten Supercomputer der Welt. Mit einer Rechenleistung von 258 Teraflops sowie einem Speicher von insgesamt 72 Terabyte übertrifft das mit Suse Linux betriebene System die Leistung des Vorgängers um das 2,7-fache und ist weiter skalierbar, sollte sich der Bedarf an Rechenkapazität erhöhen. Eine Besonderheit der Architektur stellt das geschlossene Kühlkonzept dar, bei dem nicht nur einzelne Blades, sondern auch die „M-Cell“ genannten Gehäuse komplett mit Warmwasser von bis zu 32 Grad Celsius gekühlt werden. Mit dem System lässt sich eine höhere Rechendichte erzielen und die Klimabilanz verbessern – genau das, was das DLR benötigt. Es kommt ohne Ventilatoren, so genannten Chillern, für die Blades aus und benötigt keine Kühlung des Serverraums. Der Strombedarf der Kühlkomponenten wird temperatur- und lastabhängig geregelt.

Im Ergebnis konnte der Energieverbrauch bei der Kühlung um 25 Prozent gesenkt werden, während die Energieaufnahme insgesamt trotz einer nahezu dreifachen Rechenleistung konstant blieb. Zudem soll die Abwärme demnächst für die Fußbodenheizung der Einrichtung genutzt werden, so dass die Nutzung fossiler Brenn-stoffe zum Heizen reduziert werden kann.

Aktuell betreibt DLR eines der wichtigsten aktuellen Forschungsprojekte, „Digital X“, auf dem System. Damit soll erstmals statt einzelner Komponenten ein digitales, virtuelles Flugzeug simuliert werden können – ein entscheidender Schritt, um die Entwicklungszyklen im Flugzeugbau zu beschleunigen und die Kosten zu senken. Aber auch für künftige Anforderungen bei Skalierbarkeit und Leistung ist das System gewappnet, da es einfach zu erweitern ist, um noch höhere Detailgrade bei der Simulation umsetzen zu können. Beim DLR spielt man bereits mit dem Gedanken, das System weiter auszubauen.

Das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), …
… mit Sitz in Braunschweig, umfasst rund 1.200 Mitarbeiter. Es ist eines von 32 Instituten, Test- sowie Betriebseinrichtungen an 16 Standorten, des 1969 gegründeten Forschungszentrums der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt. Insgesamt beschäftigt das DLR ca. 7.700 Mitarbeiter zum größten Teil in Deutschland.
Im Internet: www.dlr.de