Danske forskere prøvekører ny gigantisk supercomputer

Illustration: CSC

Der bliver skruet gevaldigt op for regnekraften, når Ondrej Franek, lektor på Insitut for Elektroniske Systemer på Aalborg Universitet, skifter den nordjyske server ud med den nye Lumi-supercomputer, som snart åbner i Kajaani i Finland.

Supercomputeren, som Danmark er med til at bygge sammen med ni andre europæiske lande, får en maksimal ydeevne på 552 petaflops. Det svarer til 552 millioner milliarder beregninger i sekundet og placerer supercomputeren som en af verdens største supercomputere. Til sammenligning har verdens hidtil største supercomputer, japanske Fugaku en maksimal ydeevne på 512 petaflops/s.

Konkret kommer Lumi-supercomputeren til at bestå af 200.000 CPU-kerner fra AMD’s Epyc-processorer, tusindvis af GPU’er og et stort lager.

Lumis storage-system består af tre komponenter, 7 petabyte hurtig flash storage, kombineret med en mere konventionel 80 petabyte capacity storage samt en data management service på 30 petabyte. Det giver i alt 117 petabyte storage og en aggregeret I/O båndbredde på to terabytes i sekundet.

Søger efter fremtidens antenner

Som et af de første pilotprojekter skal Ondrej Franek køre beregninger på Lumi i forbindelse med forskningsprojektet Rise 6G, hvor han og en række europæiske kolleger leder efter de mest optimale egenskaber ved en ny type antenner, der er særligt udviklet til indendørs transmission af mobilsignaler over millimeterbølger på over 26 GHz.

Leder efter fleksible antenne-egenskaber

For at presse hastighed og kapacitet på mobilnetværk op sender mobiloperatører i dag i højere frekvensbånd end tidligere. Nye 5G-netværk er i dag oppe i 3,5 GHz-båndet, og fremtidens mobilnetværk kommer til at sende endnu højere, kendt som millimeterbølger på 26 GHz og opefter.

Selvom signalstyrke, hastighed og kapacitet stiger markant, er rækkevidden meget kort, og det betyder at signalet har svært ved at bevæge sig på tværs af døre, vægge og etager indendørs. Det er her, de nye konfigurerbare antenner kommer ind i billedet.

Læs også: 552 petaflops: Dansk supercomputer blandt verdens største

Vi tester og undersøger en ny type antenner til næste generation mobilnetværk, 6G, der kan videreformidle radiosignaler uden at blive begrænset af de fysiske barrierer. Det er svært at gennemføre den type optimeringsberegninger med den hardware, vi har tilgængelig i dag,« siger Ondrej Franek.

Illustration: Ondrej Franek/RISE6G

Hvis du har et indendørs miljø og implementerer et 5G-netværk på høje frekvenser, så opfører radiobølgerne lidt som lys, dre bliver blokeret af fysiske objekter som vægge og døre.

»Traditionelt har vi undersøgt antennernes egenskaber til at sende og modtage. Men her skal antennerne kunne noget radikalt anderledes, og her kender de vi ikke de bedste betingelser. Vi vil gerne bruge Lumi for at finde de mest optimale antenner. Det er en meget stor optimeringsopgave, som er svært at gennemføre med konventionel hardware.

Brugen af supercomputere, også kendt som High Performance Computing (HPC) er ikke ny i dansk forskning, heller ikke på Institut for Elektroniske Systemer i Aalborg, hvor de har benyttet sig af supercomputere siden 2008, både lokalt på servere på Aalborg Universitet og på Syddansk Universitet, hvor Abacus-supercomputeren har 14.000 CPU-kerner.

»Vi kigger efter både signalstyrke, men også fleksibilitet i forhold til at opfange og sprede radiobølger i alle retninger. Det er primært de fysiske egenskaber, vi undersøger, siger Ondrej Franek.

Læs også: Mobil-antenner bliver bedre – men kvaliteten svinger enormt

Antenneberegningerne kommer til at foregå på Lumi supercomputerens CPU-del, mens to andre danske forskningsprojekter senere skal teste GPU-sektionen af Lumi.

Derfor er det også kun en lille del af Lumi, som Ondrej Franek skal udnytte til at finde de mest optimale fysiske egenskaber ved antenner. CPU’en udmærker sig ved at være generel og have adgang til et stort arbejdslager, så den passer til alle problemtyper. GPU’en kræver til gengæld, at beregningerne udtrykkes som vektor-operationer. Derudover har den et mindre arbejdslager, fordi beregningerne bliver foretaget parallelt på samme tid.

Illustration: Ondrej Franek/RISE6G

»CPU-delen, som vi skal køre på, har i alt 1.536 noder med et samlet performance på 5,63 petaflops. Det er dog endnu svært at sige, præcist hvordan vores kode bliver afviklet,« siger Ondrej Franek.

Lumi-supercomputeren er en del af en samlet europæisk satsning på supercomputere. Konkret er supercomputeren finansieret og drevet af et konsortium med ti nord- og østeuropæiske lande, herunder Danmark. Regnekraften bliver fordelt 50/50 mellem de ti lande i Lumi-konsortiet og så det europæiske EuroHPC-samarbejde. Det betyder også at Danmark får adgang til regnetid på Lumi, uden at det skal igennem internationale ansøgningsrunder, som det er tilfældet i dag.

Passer godt til danske forskere

Ud over den rå regnekraft så flugter den nye supercomputers kernekompetencer meget godt med de danske forskningspolitiske prioriteringer. Som andre af nutidens supercomputere trækker Lumi nemlig i stort omfang på grafikkort (GPU’er eller Graphics Processing Units) i stedet for de mere konventionelle processorer, kendt som CPU’er (Central Processing Units).

GPU’er kræver, at beregningerne udtrykkes som vektoroperationer og har et mindre arbejdslager, fordi beregningerne bliver foretaget parallelt på samme tid. Det giver en fordel for nogle forskningsfelter, mens andre skal have omskrevet deres software markant, før den kan afvikles på den nye supercomputer.

Læs også: Frustrerede universiteter advarer: Finansieringen vakler under dansk supercomputer-strategi

»GPU’er har domineret supercomputermarkedet de sidste ti år og flyttet fokus tilbage på vektorprocessering. Det er optimalt til eksempelvis simulering af store klimamodeller eller af astrosimuleringer, ligesom Lumi er optimeret til machine learning og andre former for AI-algoritmer, hvor man kan afvikle de eksisterende algoritmer på maskinen fra dag ét,« har prodekan for forskning på Aarhus Universitet Brian Vinter, der er dansk teknisk rådgiver i den styregruppe, der står bag den nye Lumi-supercomputer, tidligere fortalt Ingeniøren.

Brugen af vektorprocessering stiller dog også krav til at kompetenceniveauet i forhold til at portere kode fra CPU-algoritme-arkitektur, hvor en kompleks forgreningsstruktur er uproblematisk, til en GPU-baseret, som kræver andre elementer for at udnytte den høje ydeevne.

Den opgave - at hæve kompetenceniveauet blandt de danske forskere - står Danish e-infrastructure Cooperation (DeiC), der organiserer de danske universiteters brug af supercomputere, for.

Læs også: Dansk forskning foran spring i regnekraft