Hochleistungsrechner

Hochleistungsrechner (HPC) sind Computersysteme, die durch hohe Rechenleistung, großen Arbeitsspeicher und schnelle Netzwerke gekennzeichnet sind. Typischerweise handelt es sich um Cluster oder Supercomputer, die aus vielen miteinander kommunizierenden Rechenknoten bestehen, oft mit CPUs und Acceleratoren wie GPUs oder FPGAs. HPC-Systeme setzen auf massiv parallele Verarbeitung, verteilte Speichermodelle und spezialisierte Software, um komplexe Aufgaben in überschaubarer Zeit zu lösen.

Anwendungsgebiete umfassen wissenschaftliche Simulationen, Wetter- und Klimamodellierung, Strömungs- und Materialsimulationen, Computational Chemistry und Genomik, Produktentwicklung, Finanzmodelle und maschinelles Lernen. In Forschung und Industrie dienen HPC-Lösungen der Vorhersage, Optimierung und Datenanalyse.

Architektur und Betrieb: HPC-Cluster bestehen aus Tausenden bis vielen Kernen, die über Hochgeschwindigkeitsnetze wie InfiniBand verbunden sind. Rechenwerke werden in Knoten zusammengefasst; heterogene Systeme kombinieren CPU-, GPU- oder FPGA-Beschleuniger. Typische Speicherkonfigurationen umfassen großen Arbeitsspeicher pro Knoten, schnelle interknoten-Verbindungen und mehrstufige Cache- und Speicherhierarchien. Betriebssysteme und Softwarelandschaft setzen meist Linux, zusammen mit MPI, OpenMP sowie plattformspezifischen Bibliotheken für Beschleuniger.

Leistung und Messung: Die Leistungsfähigkeit wird in FLOPS gemessen. Wichtige Kennzahlen sind die theoretische Spitzenleistung, der LINPACK-Benchmark (Rmax) und die Skalierbarkeit der Anwendung. Energieeffizienz, Speicherbandbreite und Netzwerklatenz beeinflussen die Praxisleistung maßgeblich.

Entwicklung: Die HPC-Landschaft entwickelt sich hin zu exascale-Systemen mit Milliardentransaktionen pro Sekunde, hybriden Architekturen und fortschrittlicher Energieeffizienz. Zukünftige Trends umfassen Optimierung von Speicherzugriffen, bessere Programmerfahrung und Cloud-HPC-Modelle.