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Fugaku: Schnellster Supercomputer der Welt wird in Japan betrieben

In der japanischen Großstadt Kōbe in der Präfektur Hyōgo steht der schnellste Computer der Welt.  Fugaku oder Fuji wird RIKEN Center for Computational Science. Der Rechner ist der Nachfolger vom Supercomputer K-Computer, der 2011 als schnellster Rechner galt. Er wurde im August 2019 abgeschaltet.

Der Betrieb stellt dabei eine sehr große Herausforderung dar. Der Rechner erzeugt enorme Wärmemengen. Die Zentralenrecheneinheiten (CPUs) müssen auf besondere Weise bei den Berechnungen gekühlt werden.

Neuer Supercomputer ging 2019 in Betrieb

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Das Gebäude, in dem Fugaku untergebracht ist, befindet sich in Kōbes Bezirk Chuo. Eine Besonderheit des Institutes ist ein Kühlturm auf dem Dach. Während des Kühlungsprozess wird Dampf erzeugt, der aus dem Turm quillt. Es ähnelt dem Anblick eines Kraftwerkes.

Im letzten Frühjahr gab es mehrere Fälle, dass Bewohner in einem nahegelegenen Hotel die Polizei und Feuerweht riefen, weil sie die Abgase für Rauch hielten. Toshiyuki Tsukamoto ist stellvertretender Abteilungsleiter am RIKEN Center of Computational Science. Er erklärt das Problem folgendermaßen:

"Die Wärmeerzeugungsdichte entspricht der eines Kernreaktors. Je nach Art der Berechnung variiert der Stromverbrauch erheblich und der Wärmewert variiert entsprechend. Supercomputer erfordern Maßnahmen gegen große Mengen an Wärmeerzeugung.“

Fugaku ist seit 2019 in Betrieb. Im März 2021 soll er die gesamte Bandbreite an Leistung abrufen können und im vollen Umfang genutzt werden.

Wofür werden Supercomputer in Japan benötigt?

Gerade in der Corona-Pandemie werden die Berechnungen von Hochleistungscomputern benötigt. In Tests im letzten Jahr wurde er verwendet, um die Ausbreitung von Tröpfchen bei der Formulierung von Maßnahmen gegen das Coronavirus zu simulieren.

Fugaku hat zweimal hintereinander den ersten Platz in vier Kategorien in einer halbjährlichen Weltrangliste der Supercomputer-Leistungen belegt. Im Computerraum im dritten Stock des Gebäudes, befinden sich in 432 Racks (Gestell für Elektrogeräte mit einer genormten Breite von 19 Zoll) über 160.000 CPUs, die beim Betrieb Wärme erzeugen.

Ausgeklügeltes Kühlsystem

Die Wärmedichte kann auf über 100 Kilowatt pro Quadratmeter ansteigen. Es wäre, als würde man 100 elektrische Haushaltsheizungen auf einer Fläche von 1 Quadratmeter betreiben. Um sicherzustellen, dass die CPUs effizient arbeiten, muss deren Temperatur unter 30 Grad Celsius bleiben.

Ohne Kühlung würde ihre Temperatur jedoch innerhalb von Sekunden über 100 Grad Celsius steigen. Eine große Flüssigkeitskühleinheit auf Wasserbasis soll die Überhitzung verhindern. Das Kühlsystem verfügt über primäre und sekundäre Kühlungseinheiten, durch die Wasser fließt, um den CPUs Wärme zu entziehen. Es ist das Sekundärwassersystem, das die etwa 160.000 CPUs direkt kühlt. Es führt Wasser mit einer Temperatur von 15 Grad Celsius in die Nähe der CPUs, um deren Wärme abzuleiten. Das Wasser wird in kurzer Zeit um 4 bis 10 Grad erhöht.

Das Wasser wird zu Wärmetauschern geleitet. Das Wasser aus dem Sekundärsystem wird durch Wasser im Primärsystem und deren 11 Kühlgeräten wieder auf 15 Grad Celsius heruntergekühlt. Das Wasser kann dann wieder die CPUs kühlen. Primär- und das Sekundärwassersystem sind zum Schutz vor Verunreinigungen getrennt.

Temperaturschwankungen als schwierigstes Problem

Die schwierigste Aufgabe ist der Umgang mit Temperaturschwankungen. Verschiedene Arten von Berechnungen führen zu detaillierten Änderungen im Betrieb der CPUs. Das führt zu erheblichen Änderungen des Stromverbrauchs und der erzeugten Wärmemenge. Dies kann in nur einer tausendstel Sekunde zu Wärmestößen führen.

Um dies zu beheben, simulierten die Forscher den Wasserfluss in komplizierten Rohrleitungslayouts, um ein System zu entwickeln, das selbst im Falle eines unerwarteten Ereignisses funktioniert. Sie installierten Sensoren zur Überwachung der Wassertemperatur im Sekundärsystem und ermöglichten die Anpassung des Wasserflusses im Primärsystem. So soll die Temperatur im Sekundärsystem auf 15 Grad Celsius gehalten werden.

Konstante Weiterentwicklung der Technologie haben zur Verbesserung der Kühlung geführt. Die verbesserte Kühlung ist einer der Gründe für den Spitzenplatz in der Rangliste der Supercomputer. Japan steht als Land für traditionelle Werte, was sich an den Kimonos, dem grünen Tee und der Kalligraphie zeigt. Gleichzeitig steht Japan für viele Innovationen im Bereich der Computer, Konsolen und anderer technischen Produkte. Japan ist ein Land der Gegensätze, was sich einmal mehr am japanischen Supercomputer zeigt.

Bildquelle: Foto von Raysonho @ Open Grid Scheduler / Scalable Grid Engine, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

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