Performance und Effizienz in HPC mit Custom Computing

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Plessl
• Fachliche Zuordnung: Datenmanagement, datenintensive Systeme, Informatik-Methoden in der Wirtschaftsinformatik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320898746

Zahlreiche Projekte haben gezeigt, dass Beschleuniger wie Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs), Many-cores und Grafikprozessoren (GPUs) wesentliche Laufzeit- und Energie-Effizienz-Vorteile im Hochleistungsrechnen erzielen können. Dennoch werden Beschleuniger noch nicht durchgängig eingesetzt, selbst für Anwendungen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit profitieren können. Es gibt zahlreiche Gründe für die Zurückhaltung der HPC Entwickler, z.B: Mangel an technischem Wissen, unklarer Nutzen der investierten Zeit für die Optimierung, fehlende Abschätzung des Optimierungspotentials, mangelhafte Ausbildungsmaterialien, wenige Bibliotheken für eine Blackbox-Nutzung von Beschleunigern.Wir schlagen vor, einen strukturierten Unterstützungs- und Beratungsprozess in unserem Rechenzentrum zu etablieren, um HPC Entwickler während des kompletten Prozesses von der Performance-Analyse und Abschätzung des Potentials bis zur Optimierung der laufzeitkritischen Programmteile mit Beschleunigern zu unterstützen. Dieser Prozess bringt in Teams von Entwicklern aus den rechnergestützten Wissenschaften komplementäre Expertise ein und verbessert so das Kosten/Nutzenverhältnis einer Code-Optimierung, welche den Anwendern eine Reduktion der Programmlaufzeit oder die Möglichkeit grössere Systeme zu simulieren verspricht. Damit Entwickler von Resultaten früherer Arbeiten profitieren können, werden wir häufig genutzte Funktionen in wiederverwendbare Bibliotheken überführen. Schliesslich werden wir Schulungsunterlagen entwickeln, die auf die Bedürfnisse der rechnergestützten Wissenschaften zugeschnitten sind, und Code-Beispiele zur Illustration von Best-Practices sammeln.In diesem Projekt werden wir die spezifischen technologischen und forschungsbezogenen Kompetenzen unseres HPC Rechenzentrums und unserer Nutzer ausspielen. Einerseits profitieren wir von der thematischen Fokussierung unserer Hauptanwender auf eine kleine Zahl von Gebieten (Nanophotonik, Molekulardynamik, Quantenchemie). Dies erlaubt uns, domänenspezifische Methoden und Erfahrungen für unterschiedliche Codes wiederzuverwenden. Andererseits werden wir uns auf FPGAs als Beschleunigertechnologie konzentrieren, da FPGAs das höchste Potential in Bezug auf Energieffizienz bieten und sich der Markt für FPGA Beschleunigung gerade sehr dynamisch entwickelt. Die Bestrebungen zur Standardisierung im Rahmen der Übernahme von Altera durch Intel und die Einführung der CAPI Beschleuniger-Schnittstelle durch IBM, sowie die Verfügbarkeit von Hochsprachen-Entwicklungswerkzeugen für FPGAs, bilden eine neue technologische Basis für die breitere Nutzung von FPGAs in HPC. Wir erwarten, dass unsere substantielle Expertise im Custom Computing mit FPGAs, sowie die Konzentration auf wenige Anwendungsdomänen ideale Voraussetzungen bieten, um einen wesentlichen Fortschritt im Bereich HPC mit FPGA-Beschleunigern zu erzielen und das Potenzial zur Verbesserung der Performanz und Energieeffizienz mit realen HPC Codes zu demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen