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Vom FACOM 230–75APU bis zum Fugaku – über 40 Jahre Supercomputer von Fujitsu

Vom FACOM 230-75APU bis zum Fugaku – über 40 Jahre Supercomputer von Fujitsu
Geschätzte Lesezeit: 5 Minuten

Nach den vie­len Schlag­zei­len und Berich­ten rund um Fug­aku – den aktu­ell schnells­ten Super­com­pu­ter der Welt – lohnt sich ein Blick auf die ver­gan­ge­nen mehr als 40 Jah­re, in denen Fuji­tsu im Super­com­pu­ting immer wie­der neue Tech­no­lo­gien ent­wi­ckelt hat.

Seit vie­len Jahr­zehn­ten wer­den Super­com­pu­ter für beson­ders rechen­in­ten­si­ve Anwen­dun­gen ein­ge­setzt. Bereits in den 60er-Jah­ren, als der Begriff „Super­com­pu­ter” noch nicht popu­lär war, nutz­ten wis­sen­schaft­li­che Ein­rich­tun­gen und staat­li­che Behör­den die schnells­ten Groß­rech­ner der dama­li­gen Zeit. Zunächst waren dies oft Groß­rech­ner von Con­trol Data Cor­po­ra­ti­on wie z.B. die CDC 6600. Im Jahr 1976 wur­de in den USA mit der CRAY‑1 der ers­te Vek­tor­rech­ner in Betrieb genom­men. Die­ser Super­com­pu­ter wur­de 1979 erst­mals auch in Deutsch­land installiert.

Der FACOM230-75 APU

Im Jahr 1977 ent­wi­ckel­te Fuji­tsu mit dem FACOM230-75 APU ein Sys­tem, das man heu­te Super­com­pu­ter nen­nen wür­de1, 2. Die­ser Groß­rech­ner ent­hielt eine beson­de­re Ver­ar­bei­tungs­ein­heit für Fel­der von Daten (Array Pro­ces­sing Unit APU) und war damit der ers­te „Super­com­pu­ter” in Japan, instal­liert beim Natio­nal Aero­space Labo­ra­to­ry. Die Erfah­run­gen mit die­sem Sys­tem nutz­te Fuji­tsu für die Ent­wick­lung der spä­te­ren Fuji­tsu Vektorrechner.

FACOM230-75APU
FACOM230-75 APU

 

Die Vektorrechner von Fujitsu

Im Jahr 1982 kün­dig­te Fuji­tsu die neu­en Vek­tor­rech­ner VP-100 und VP-200 an. Die­se Vek­tor­rech­ner hat­ten eine Ska­lar­ein­heit ana­log einem Uni­ver­sal­rech­ner und zusätz­lich je nach Modell meh­re­re Vek­tor-Pipe­lines. Das ers­te Sys­tem VP-100 wur­de im Dezem­ber 1983 beim Nago­ya Uni­ver­si­ty Plas­ma Rese­arch Cen­ter in Betrieb genom­men1, 2. In Euro­pa ver­mark­te­te die Sie­mens AG als OEM-Part­ner von Fuji­tsu die­se Vek­tor­rech­ner. Die ers­ten Sys­te­me vom Typ VP-200 instal­lier­te Sie­mens 1985 im Raum Mün­chen. Für die­se Vek­tor­rech­ner-Serie bot Fuji­tsu auch eine Soft­ware-Umge­bung mit FOR­TRAN-Com­pi­ler, auto­ma­ti­scher Vek­to­ri­sie­rung, mathe­ma­ti­schen Biblio­the­ken und Tuning-Tools.

Anmer­kung des Autors: Als wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter der Uni­ver­si­tät Karls­ru­he konn­te ich im Som­mer 1985 auf einem Sie­mens VP-200 ers­te Bench­mark-Tests durch­füh­ren. Die­ses Sys­tem kam spä­ter im Juni 1993 in der ers­ten Aus­ga­be der TOP5004 noch auf Platz 500 mit gemes­se­nen 422 MegaFLOPS. 

Die VP-Serie von Fuji­tsu wur­de in den fol­gen­den Jah­ren kon­ti­nu­ier­lich wei­ter­ent­wi­ckelt mit­tels schnel­le­rer Takt­ra­te, Mul­ti-Pro­zes­sor-Fähig­keit, zusätz­li­chen Vek­tor-Instruk­tio­nen und ‑Pipe­lines. Der Erfolg die­ser VP-Serie zeig­te sich auch durch diver­se Instal­la­tio­nen bei deut­schen Universitäten.

Der Numerical Wind Tunnel

Der nächs­te Mei­len­stein war die Ent­wick­lung des „Nume­ri­cal Wind Tun­nel” (NWT), die in Zusam­men­ar­beit von Fuji­tsu und dem Natio­nal Aero­space Labo­ra­to­ry erfolg­te1, 2. Nach der Instal­la­ti­on des NWT erreich­te die­ser Super­com­pu­ter im Novem­ber 1993 die Num­mer 1 der TOP5004 mit einer gemes­se­nen Leis­tung von 124 Giga­FLOPS. Mit dem NWT und dem dar­aus abge­lei­te­ten Fuji­tsu Super­com­pu­ter VPP500 wur­de der ers­te Vek­tor-Par­al­lel-Com­pu­ter ange­bo­ten, der bis zu 222 Vek­tor-Pro­zes­so­ren in Gal­li­um­ar­se­nid / Bi-CMOS-Tech­no­lo­gie über ein Cross­bar-Netz­werk ver­bin­den konn­te. NWT konn­te nach einem Upgrade mit einer Leis­tung von 170 Giga­FLOPS die TOP500-Lis­te bis ein­schließ­lich Novem­ber 1995 anfüh­ren 3. Für her­vor­ra­gen­de Leis­tun­gen in rea­len Anwen­dun­gen auf dem NWT wur­de mehr­fach der ACM Gor­don Bell Pri­ze verliehen.

Numerical Wind Tunnel
Nume­ri­cal Wind Tunnel

 

Skalar-parallele Supercomputer

Die VPP-Serie wur­de um wei­te­re CMOS-basier­te Model­le erwei­tert (VPP300, VPP700, VPP5000), die dank CMOS-Tech­no­lo­gie und rei­ner Luft­küh­lung beson­ders wirt­schaft­lich im Betrieb waren.

Par­al­lel zu den Vek­tor-basier­ten Sys­te­men ent­wi­ckel­te Fuji­tsu in den 1990er Jah­ren auch ska­lar-par­al­le­le Super­com­pu­ter. Die Sys­te­me AP1000 und AP3000 nutz­ten Rech­ner­kno­ten mit SPARC-Pro­zes­so­ren und lie­fen mit Sola­ris OS.

Anmer­kung des Autors: In den 1990er Jah­ren gab es im glo­ba­len Super­com­pu­ter-Markt einen star­ken Wett­be­werb zwi­schen klas­si­schen Vek­tor­rech­nern und diver­sen neu ent­wi­ckel­ten mas­siv-par­al­le­len Super­com­pu­tern, die jeweils unter­schied­li­che Ska­lar-Pro­zes­so­ren nutz­ten. Außer­dem wur­den etwa ab 1997 x86-Pro­zes­sor-basier­te „PC-Clus­ter” bei Uni­ver­si­tä­ten popu­lä­rer – nicht zuletzt wegen des güns­ti­ge­ren Prei­ses. Sie­mens hat­te für die­ses Markt­seg­ment mit der „hpcLi­ne” einen x86-HPC-Clus­ter auf den Markt gebracht und 1998 zum ers­ten Mal an der Uni­ver­si­tät Pader­born installiert.

Fuji­tsu ent­wi­ckel­te in den dar­auf­fol­gen­den Jah­ren sowohl SPAR­C64-basier­te Super­com­pu­ter (PRIMEPOWER HPC2500) als auch x86-basier­te Ser­ver (PRIMERGY), die sich für HPC-Clus­ter eigneten.

Die Entwicklung des K computers

Im Jahr 2001 wur­de in Japan eine Stu­die hin­sicht­lich eines zukünf­ti­gen „High-end Com­pu­ting Envi­ron­ment“ initi­iert. Die­ser Super­com­pu­ter soll­te für ver­schie­dens­te tech­ni­sche / wis­sen­schaft­li­che Anwen­dun­gen nutz­bar sein und höchs­te Rechen­leis­tung bie­ten. Nach einer Mach­bar­keits­stu­die und einem Vor­ent­wick­lungs­pro­jekt wur­de im Jahr 2006 das eigent­li­che Ent­wick­lungs­pro­jekt für den „Next Genera­ti­on Super­com­pu­ter” gestar­tet. Die Wahl für den Tech­no­lo­gie- und Ent­wick­lungs­part­ner für das japa­ni­sche For­schungs­zen­trum RIKEN fiel auf Fujitsu.

In die­sen Co-Design-Pro­zess brach­te Fuji­tsu sei­ne Erfah­run­gen mit Höchst­leis­tungs­rech­nern und CPU-Design ein. Um die Leis­tungs-Anfor­de­run­gen zu erfül­len, ent­schied man sich für eine CPU auf SPAR­C64-Basis. Ergänzt wur­de die­se um Funk­tio­nen und Instruk­tio­nen spe­zi­ell für einen mas­siv-par­al­le­len Super­com­pu­ter. Außer­dem wur­de ein hier­für beson­ders opti­mier­tes Hoch­ge­schwin­dig­keits-Netz­werk „Tofu” mit einer 6‑dimensionalen Mesh / Torus-Topo­lo­gie ent­wi­ckelt. Für die­sen Super­com­pu­ter stell­te Fuji­tsu außer­dem eine opti­mier­te Soft­ware-Umge­bung mit Com­pi­ler, Biblio­the­ken, Tools und File­sys­tem zur Ver­fü­gung – ergänzt durch Erwei­te­run­gen, die RIKEN entwickelte.

Im Juni 2011 erreich­te die ers­te Aus­bau­stu­fe die­ses Super­com­pu­ters, der nun „K com­pu­ter” 5 genannt wur­de, die Num­mer 1 der TOP5003 mit gemes­se­nen 8,2 Peta­FLOPS. Nach einem Upgrade auf ins­ge­samt 88.128 Pro­zes­so­ren konn­te „K com­pu­ter” im Novem­ber 2011 die Num­mer 1 der TOP500 mit 10,5 Peta­FLOPS hal­ten. „K com­pu­ter” zeich­ne­te sich dadurch aus, dass für rea­le Anwen­dun­gen eine hohe Rechen­leis­tung erzielt wer­den konn­te. Die­ser Super­com­pu­ter blieb bis zum Som­mer 2019 pro­duk­tiv in Betrieb und ermög­lich­te vie­le wis­sen­schaft­li­che Erkenntnisse.

K Computer
K com­pu­ter

 

Fugaku – der aktuell schnellste Supercomputer der Welt

Bereits im Jahr 2010 – noch vor der Instal­la­ti­on von „K com­pu­ter” – began­nen beim japa­ni­schen For­schungs­in­sti­tut RIKEN die ers­ten Über­le­gun­gen für das „Post‑K” Super­com­pu­ter-Pro­jekt. Nach einer Mach­bar­keits­stu­die begann 2014 das Pro­jekt „Post‑K”. Es soll­te für aus­ge­wähl­te stra­te­gi­sche Anwen­dun­gen eine Beschleu­ni­gung um etwa den Fak­tor 100 im Ver­gleich zum „K com­pu­ter” ermög­li­chen. Die wei­te­ren Design-Kri­te­ri­en waren eine sehr gute Ener­gie­ef­fi­zi­enz (max. 40 MW Strom­ver­brauch), die brei­te Nutz­bar­keit durch vie­le Anwender*innen und neu hin­zu kam die Eig­nung für Anwen­dun­gen in der Künst­li­chen Intel­li­genz (KI). Auf­bau­end auf den Erfah­run­gen bei der Ent­wick­lung von „K com­pu­ter” arbei­te­ten auch in die­sem Pro­jekt wie­der RIKEN und Fuji­tsu eng zusam­men. Um sowohl die Per­for­mance-Anfor­de­run­gen als auch die Ener­gie­ef­fi­zi­enz erfül­len zu kön­nen, ent­schie­den RIKEN und Fuji­tsu, dass der Nach­fol­ge-Super­com­pu­ter mit einer von Fuji­tsu ent­wi­ckel­ten CPU (A64FX) auf Basis der ARM-Archi­tek­tur und spe­zi­el­len Erwei­te­run­gen für Super­com­pu­ting aus­ge­stat­tet wer­den soll­te. Wei­te­re Infor­ma­tio­nen zur Fuji­tsu A64FX CPU fin­den sich in die­sem Blog-Arti­kel.

Im Mai 2019 wur­de „Post‑K” dann auf den Namen „Fug­aku” 6 getauft. „Fug­aku” ist ein wei­te­rer (japa­ni­scher) Name für Mount Fuji, Japans höchs­ten Berg. Er wur­de einer­seits aus­ge­wählt, um die hohe Leis­tung des neu­en Super­com­pu­ters zu sym­bo­li­sie­ren. Ande­rer­seits zeigt er auch den wei­ten Hori­zont auf, den das Sys­tem sei­nen Nutzer*innen bie­ten wird. Nach der kom­plet­ten Instal­la­ti­on konn­te Fug­aku im Juni 2020 mit gemes­se­nen 415,5 Peta­FLOPS die Num­mer 1 der TOP500-Lis­te errei­chen. Fug­aku beein­druck­te sowohl durch den signi­fi­kan­ten Leis­tungs­vor­sprung gegen­über dem zweit­plat­zier­ten Sys­tem als auch durch Spit­zen­wer­te in wei­te­ren Bench­marks. Wei­te­re Infor­ma­tio­nen über Fug­aku und die Bench­marks fin­den sich in die­sem Blog-Arti­kel.

Der aktuelle Stand

Dank wei­te­rer Tuning-Maß­nah­men konn­te Fug­aku im Novem­ber 2020 die gemes­se­ne Leis­tung auf 442 Peta­FLOPS ver­bes­sern und hält bis heu­te die Num­mer 1 der TOP500-Lis­te3.

Fug­aku wur­de aber nicht pri­mär ent­wi­ckelt, um Bench­mark-Rekor­de zu erzie­len. Noch vor der kom­plet­ten Fer­tig­stel­lung wur­den bereits ers­te Par­ti­tio­nen von Fug­aku für gro­ße Simu­la­ti­ons-Berech­nun­gen genutzt, um die Bekämp­fung der COVID-19 Pan­de­mie zu unter­stüt­zen. Inzwi­schen wur­den vie­le wei­te­re wis­sen­schaft­li­che Pro­jek­te durch Fug­aku geför­dert, z. B. die Simu­la­ti­on von Wel­len­for­ma­tio­nen nach Erd­be­ben und die Pro­gno­se von Tsu­na­mis und deren Auswirkungen.

Fugaku
Fug­aku

 
Anmer­kung des Autors: Die­ser Arti­kel beschreibt, wie Fuji­tsu seit über 40 Jah­ren inno­va­ti­ve Tech­no­lo­gien für Super­com­pu­ting ent­wi­ckelt und damit zur Lösung gesell­schaft­li­cher Her­aus­for­de­run­gen bei­trägt. Zunächst als wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter an der Uni­ver­si­tät Karls­ru­he, danach als Part­ner bzw. Mit­ar­bei­ter von Fuji­tsu konn­te ich das Super­com­pu­ting seit etwa 40 Jah­ren beglei­ten und in diver­sen Rol­len unter­stüt­zen. Die­ses span­nen­de Gebiet wird mich wohl nicht mehr „los­las­sen”.

Referenzen

  1. Pro­duct mile­stones: Fuji­tsu Global
  2. Super­com­pu­ters-Com­pu­ter Muse­um (ipsj.or.jp)
  3. top500.org
  4. TOP500 Report 1993 (Buch, ver­öf­fent­licht durch Uni­ver­si­tät Mannheim)
  5. What is K? | RIKEN Advan­ced Insti­tu­te for Com­pu­ta­tio­nal Science
  6. Fug­aku | RIKEN Cen­ter for Com­pu­ta­tio­nal Sci­ence RIKEN Website

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