Forschungsbericht 2014 - Deutsches Klimarechenzentrum

25 Jahre Hochleistungsrechnen für die Klimaforschung

Autoren
Böttinger, Michael; Meyer, Jana
Abteilungen

Abteilung Anwendung, Gruppe Öffentlichkeitsarbeit

Zusammenfassung
Seit 25 Jahren kann die deutsche Klimaforschung auf die hohe Rechenleistung, Datenspeicherungskapazitäten und kompetente Beratung zählen, die das Deutsche Klimarechenzentrum exklusiv und maßgeschneidert für sie bereitstellt. Dies ist ein wesentlicher Baustein für Klimawissenschaft auf Weltniveau – das spiegelte sich auch in den Beiträgen zum Festsymposium und dem darauf folgenden Nutzer-Workshop zum Jubiläum im Februar 2013 wieder. Dieser Jahrbuchbeitrag lässt die ersten 25 spannenden Jahre des DKRZ noch einmal Revue passieren.

Blick zurück

Im November 1987 wird der Gesellschaftervertrag zwischen der MPG, der Stadt Hamburg und dem GKSS-Forschungszentrum Geesthacht (heute: Helmholtz-Zentrum Geesthacht, HZG) abgeschlossen. Zum 1.1.1988 nimmt die neue Deutsches Klimarechenzentrum GmbH (DKRZ) mit den beiden Geschäftsführern Klaus Hasselmann, gleichzeitig  Gründungsdirektor am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), und dem Physiker Wolfgang Sell ihren Betrieb auf. Aus dem gemeinsamen Rechenzentrum des MPI-M und des meteorologischen Instituts der Universität Hamburg geht die neue nationale Service-Einrichtung für die Klimaforschung hervor – fortan quasi das Labor, in dem Deutschlands Klimamodellierer ihre Experimente machen werden.

Finanziert durch das Bundesforschungsministerium steht 1988 ein neuer Hochleistungsrechner am DKRZ zur Verfügung. Die Cray 2S mit vier Prozessoren und einer Spitzenrechenleistung von zwei Gigaflops ist zu ihrer Zeit einer der schnellsten Supercomputer weltweit. Zwei Gigaflops sind zwei Milliarden Gleitkomma-Rechenoperationen pro Sekunde. Zum Vergleich: Heute bietet bereits ein modernes Tablet oder Smartphone eine in etwa vergleichbare Rechenleistung wie die damalige Cray 2S! Dieser Rechner mit seinem 1 Gigabyte großen Hauptspeicher erlaubt es den Forschern endlich, Ozean und Atmosphäre gemeinsam mit einem gekoppelten dreidimensionalen Modell zu simulieren und die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean im Klimasystem zu untersuchen.

Der Bedarf an Rechenkapazität wächst und ebenso die aus den Simulationen resultierende Datenmenge. Ein neues roboterbetriebenes Magnetbandsilo mit 6.000 Kassetten und einer Speicherkapazität von einem Terabyte ermöglicht es, Daten von den Festplatten auf Bänder automatisiert auszulagern oder zurück zu laden. Der Cray-Rechner wird durch ein weiteres System ergänzt, eine Cray YMP mit drei Prozessoren.

Brillante Köpfe und das richtige Werkzeug zur rechten Zeit: Die deutsche Klimaforschung kann zur Weltspitze aufschließen und mit dem von den Hamburger Meteorologen entwickelten gekoppelten Klimamodell zum ersten Weltklimastatusbericht des IPCC, der 1990 erscheint, beitragen.

1991 tritt das Alfred-Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung der jungen GmbH als vierter Gesellschafter bei. Etwa zeitgleich entsteht eine neue Abteilung Modellbetreuung, um die deutschlandweite Nutzung der Klimamodelle und Daten zu erleichtern. Die errechneten Daten nehmen im Rechenzentrumsbetrieb eine immer wichtigere Rolle ein. Mit der Einführung des hierarchisch aufgebauten Archivierungssystems Unitree und eines zweiten Datensilos wird die Basis für ein verbessertes Datenmanagement gelegt.

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Abb. 1: Fliegender Wechsel: Per Kran räumt die Cray 2S das Feld für ihren Nachfolger Cray C916.

Ergänzend dazu nimmt 1994 die am DKRZ entwickelte relationale Klimadatenbank CERA ihren Dienst auf. Heute ist sie mit mehr als 650 Terabyte eine der größten wissenschaftlichen Datenbanken weltweit und beherbergt auch das ICSU World Data Center Climate (WDCC). Ebenfalls 1994 wird die Cray 2S durch die mit 16 Prozessoren achtfach leistungsfähigere Cray C916 ersetzt – in einer spektakulären Austauschaktion durch die Fassade im 15. Stock des Geomatikums der Universität Hamburg, welches die Rechnerräume des DKRZ beherbergt.

Dazu kommt ein erstes paralleles Rechnersystem mit verteiltem Speicher, eine Cray T3D mit zunächst 32 Rechnerknoten, mit dem die Nutzbarkeit von Parallelrechnern für Klimacodes untersucht wird. Auf der seit 1993 zweimal jährlich veröffentlichten TOP500, einer Rangliste der schnellsten Supercomputer der Welt, wird 1995 die Cray C916 auf Platz 49 und die Cray T3D auf Platz 291 aufgeführt.

1995 weisen die Wissenschaftler um Klaus Hasselmann den zentralen Anteil des Menschen am globalen Klimawandel nach. Diese Ergebnisse und die auf den DKRZ-Rechnern durchgeführten Szenarienrechnungen tragen zum 2. IPCC-Bericht bei, der wenig später erscheint. Der am DKRZ produzierte Film „Klimasimulationen – Vorhersage des globalen Wandels“, der diese Resultate visualisiert und öffentlichkeitswirksam vorstellt, erhält den Deutschen Wirtschaftsfilmpreis.

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Abb. 2: Rasant aufwärts: Seit 1993 ist die Rechenleistung der TOP500 der Welt und am DKRZ um das 10.000- bis 100.000-Fache gestiegen.

Zum Jahrtausendwechsel wird die Abteilung Modellbetreuung aus dem DKRZ herausgelöst und innerhalb des MPI-M als eigenständige Gruppe Modelle und Daten weitergeführt. Gleichzeitig übernimmt Guy Brasseur, neuer Direktor am MPI-M, die Aufgaben von Klaus Hasselmann. Nach zähen Verhandlungen erhält Brasseur die Zusage des Ministeriums, die nächste Rechnergeneration zu finanzieren. Nach sieben Jahren Betrieb kann 2001/2002 die Cray C916 abgelöst werden: Das neue Hochleistungsrechnersystem für die Erdsystemforschung (HLRE), eine NEC SX-6, erreicht im November 2002 Platz 49 auf der TOP500. Nach dem Endausbau auf 192 Prozessoren im folgenden Jahr landet das System mit 1.536 Gigaflops sogar auf Platz 33 und ist damit 100-mal leistungsfähiger als die alte Cray. Der Festplattenplatz steigt auf 100 Terabyte, und auch das Datenarchiv wird weiter ausgebaut.

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Abb. 3: Aus Tera wird Peta: Von 1993 bis 2012 vergrößert sich die Datenmenge im DKRZ-Archiv nahezu explosionsartig auf das 25.000-Fache: von 1 Terabyte auf 25 Petabyte.

Ende 2004, noch während der HLRE auf Hochtouren an den umfangreichen Simulationen für den 4. IPCC-Sachstandsbericht rechnet, der 2007 erscheinen soll, geht der technisch-administrative Geschäftsführer Wolfgang Sell in den Ruhestand und Maximilian Prugger, Jurist aus der MPG-Generalverwaltung, übernimmt zunächst den kaufmännischen Teil der Geschäfte. Die Suche nach einem neuen Rechenzentrumsleiter, der auch in der Wissenschaft verankert ist, beginnt. Nur ein Jahr später, im Januar 2006, verlässt Guy Brasseur Deutschland, so dass auch die wissenschaftliche Leitung des DKRZ vakant ist.

Währenddessen rechnen Wissenschaftler des MPI-M im Auftrag des Umweltbundesamtes an der Regionalisierung der globalen IPCC-Szenarienrechnungen. Wie mit einer Lupe verfeinert das hochauflösende Regionalmodell REMO dynamisch die zuvor errechneten gröberen Ergebnisse der Globalmodelle für Deutschland, Österreich und die Schweiz in bislang unerreichter Auflösung von 10 Kilometern.

Zur Unterstützung der inzwischen nicht mehr in der TOP500 gelisteten NEC SX-6 beschaffen MPI-M und DKRZ gemeinsam ein SUN Linux-Cluster mit 256 Knoten und insgesamt 1.024 Rechenkernen. Ende 2006 gibt es einen erneuten Wechsel in der Geschäftsführung: Maximilian Prugger übergibt die kaufmännische Verantwortung an Jens Meinecke, ebenfalls Jurist aus der Generalverwaltung der MPG. Jochem Marotzke vom MPI-M unterstützt ihn als beigestellter Wissenschaftlicher Direktor, und Stefan Heinzel, Leiter des MPG-Rechenzentrums in Garching, wird Technischer Direktor im Nebenamt. Gemeinsam wird die Finanzierung der nächsten HLRE-Generation verhandelt und mit den Experten im DKRZ eine Ausschreibung für den HLRE 2 auf den Weg gebracht. Eine weitere Herausforderung: Flächen und Infrastruktur im Geomatikum reichen nicht für das kommende System aus. Hamburg sagt die Bereitstellung und den Umbau eines Gebäudes in unmittelbarer Nachbarschaft zu.

Mit der Installation eines Visualisierungsclusters Anfang 2007 und passender Software führt das DKRZ eine netzwerkbasierte 3D-Visualisierung ein. Umfangreiche Klimadaten können nun deutschlandweit vom Arbeitsplatz der Wissenschaftler aus interaktiv visualisiert werden, ohne sie auf deren lokale Rechner übertragen zu müssen. Im selben Jahr beginnen die Umbauarbeiten am zukünftigen DKRZ-Gebäude – es muss vollständig entkernt und umgebaut werden.

2009 wird ein Jahr der Veränderungen: zunächst wird der HLRE 2, ein IBM Power6-System mit 8.448 Rechenkernen, 20 Terabyte Hauptspeicher und einer Spitzenrechenleistung von 158.000 Gigaflops, in dem noch im Bau befindlichen neuen DKRZ Gebäude aufgebaut. Auch die Datenkapazität wächst erheblich: Mehr als 6 Petabyte Plattenplatz und eine Archivkapazität von 60 Petabyte stehen der Klimaforschung nun zur Verfügung. Das veraltete Speichermanagement-System wird durch HPSS, das High Performance Storage System, ersetzt. [1]

Thomas Ludwig wird neuer Leiter des DKRZ und übernimmt eine Professur für Wissenschaftliches Rechnen an der Universität Hamburg. Im kaufmännischen Bereich wird er zunächst durch den ehemaligen Leiter der Finanzabteilung der MPG, Michael Truchseß, unterstützt.

Das neue IBM Power6-System erreicht im Juni 2009 Platz 27 der TOP500. Viel wichtiger ist aber die Wissenschaft, die mit dessen Hilfe nun möglich wird. Der Zuwachs an Rechenleistung ermöglicht es, räumlich besser aufgelöste Modelle zu entwickeln und mehr Prozesse in die Modelle aufzunehmen. MPI-ESM, das neue Erdsystemmodell des MPI-M, beinhaltet neben der Physik der Atmosphäre und des Ozeans auch die biogeochemischen Prozesse im Ozean, die Landbiosphäre und den atmosphärischen Kohlenstofftransport, so dass der Kohlenstoffkreislauf mitberechnet werden kann.

Im Herbst 2009 können schließlich auch die Mitarbeiter das neue Gebäude beziehen. Die Gruppe Modelle und Daten wird 2010 als neue Abteilung Datenmanagement wieder in das DKRZ eingegliedert.

Anfang 2012 werden die nun abgeschlossenen Rechnungen öffentlich präsentiert, die am DKRZ im Rahmen des internationalen Modellvergleichsprojekts CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project) und im Hinblick auf den 5. IPCC-Bericht durchgeführt wurden [2]. Fast ein Petabyte an Ergebnisdaten wurde errechnet – die Datengrundlage für zahllose wissenschaftliche Veröffentlichungen.

Jubiläum

Die ersten 25 Jahre des DKRZ waren eine spannende, interessante und bewegte Zeit, die in einer Festschrift zusammengefasst ist. Diese ist auf Anfrage in Buchform erhältlich und steht als PDF auf der DKRZ-Webseite zur Verfügung: http://www.dkrz.de/about/media/downloads/festschrift-DKRZ25

Im Februar 2013 feierte das DKRZ sein 25-jähriges Jubiläum mit einem Festsymposium, bei dem ein Blick zurück auf die Erfolgsgeschichte des DKRZ, aber auch ein Blick in die Zukunft des Klimarechnens geworfen wurde. Das Programm und Links zu den Vortragsfolien sind auf der DKRZ-Webseite verfügbar: http://www.dkrz.de/about/kontakt/presse/aktuell/archiv-2013/25_Jahre

Am darauf folgenden Tag gaben einige der wissenschaftlichen Hauptnutzer des DKRZ im Rahmen eines Workshops einen Überblick über ihre aktuellen Forschungen. Eine umfassende Ausstellung wissenschaftlicher Poster zeigte die Vielfalt der Klimaforschung, die mithilfe des DKRZ ermöglicht wird. Alle Poster sind als PDF auf der DKRZ-Webseite veröffentlicht: http://www.dkrz.de/Klimaforschung/HLRE-Projekte/poster-zum-nutzerworkshop-2013

Literaturhinweise

1.
Biercamp, J.; Böttinger, M.; Meyer, J.
Ein Jahr des Umbruchs und der Erneuerungen
Max-Planck-Gesellschaft Jahrbuch, Forschungsbericht / Deutsches Klimarechenzentrum (2010)
2.
Legutke, S.; Kindermann, S.; Glushak, K.; Böttinger, M., Lautenschlager, M.
CMIP5 - Klimasimulationen und Datenbasis für den nächsten Weltklimabericht
Max-Planck-Gesellschaft Jahrbuch, Forschungsbericht / Deutsches Klimarechenzentrum (2013)
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