Hochleistungs-Molekularsimulator: Virtuelle Experimente beschleunigen bahnbrechende Forschung

Mit einem Intel®-basierten Dual-Purpose-System ist das Institute for Molecular Science in der Lage, zugleich sowohl enorme Parallel- als auch Hochleistungsrechnerkapazitäten zur Verfügung zu stellen.

Am renommierten Institute for Molecular Science (IMS) in Japan wurden bereits zahlreiche Durchbrüche in den Molekularwissenschaften erzielt. Die größte Herausforderung stellen dabei stets die riesigen Mengen an empirischen Berechnungen dar, die Forscher mit extrem performanten HPC-Systemen durchführen müssen, um neue Strukturen und Verhaltensweisen zu erkennen. Seinen letzten Supercomputer hatte das IMS allerdings im Jahr 2011 in Betrieb genommen. „Für heutige Ansprüche reichten die Anzahl der Kerne und die Rechengeschwindigkeit nicht mehr aus”, sagt Shinji Saito, Director of Research Center for Computational Science (RCCS) am IMS.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass molekulardynamische Simulationen (MD) meist für parallele Berechnungen hochoptimiert sind, viele quantenchemische Algorithmen (QC) jedoch in seriellen Versuchsreihen ablaufen. Fumiyasu Mizutani, Abteilungsleiter beim RCCS, sagt dazu: „Da das IMS Forschung mit beiden Berechnungsarten betreibt und CPU-Taktraten bei mehr Kernen tendenziell langsamer werden, brauchten wir eine Lösung, die beide Konfigurationen ermöglicht — ein System mit Tausenden von Kernen und eins mit weniger, aber schnelleren Kernen und mit viel Speicher.”

Molekularsimulator rechnet mit rund 40.000 Kernen

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden und umfangreiche Berechnungen in der Molekulardynamik sowie von quantenchemischen Systemen optimal zu unterstützen, nutzt der neue Hochleistungs-Molekularsimulator des IMS zwei unterschiedliche Rechnercluster. Diese basieren auf Intel® Xeon® Gold 6148 Prozessoren für massiv-parallele Verarbeitung und Intel® Xeon® Gold 6154 Prozessoren für serielle Berechnungen. Unterstützt werden die CPUs von Intel® SSDs der Produktreihe DC S3520, die Kommunikation erfolgt via Intel® Omni-Path-Architektur. Insgesamt nutzt das HPC-Cluster rund 40.000 Kerne für seine Berechnungen und verfügt über mehr als 216.000 GB Speicher für umfangreiche In-Memory-Operationen.

Seit seiner Inbetriebnahme im Oktober 2017 hat der Molekularsimulator zahlreiche Benchmarks für quantenchemische Berechnungen, molekulardynamische Simulationen, Speicherübertragungen und Festplattenleistung aufgestellt. Mit einer theoretischen Höchstleistung von 3,1 petaFLOPS lag das Dual-Purpose-System zu diesem Zeitpunkt auf Platz 70 der einen Monat später erschienenen Liste der Top 500 Supercomputer. Im Sommer 2018 belegte es immerhin noch Platz 93 der schnellsten Rechner weltweit.

Inzwischen laufen etwa 1.000 Jobs auf dem neuen System. Für ihre Abarbeitung werden jeweils zwischen einem und 1.000 Kernen genutzt. Im Vergleich zur IMS-Anlage von 2011 profitieren die 80 Anwender, die den Supercomputer derzeit nutzen, von einer 7,3-fachen Rechenkapazität.