Von weitem sieht das Gebäude aus wie ein Kasten mit einer Krone, die in der Sonne glänzt. Ein Röhrengewirr zur Kühlung und Belüftung wurde dem ansonsten unscheinbaren Flachbau aufs Dach gesetzt. „Der Star ist schon im Haus“, sagt Benedikt von St. Vieth. Der große, jugendlich wirkende Mann mit dem zusammengebundenen Haar ist „Head of High-Performance Computing (HPC), Cloud, Data Systems & Services“ im Forschungszentrum Jülich. Mit ihm und seinem Kollegen, dem Physiker Andreas Herten, geht es mit Sicherheitshelm und orangefarbener Weste zu einem Container-Gebäude auf dem weitläufigen Gelände des Instituts. Kabel hängen dort aus der Wand, Bohrmaschinen dröhnen, die Löschanlage wird installiert.

Fünf Tische wurden in der Mitte des Raums zusammengeschoben. Darauf stehen Notebooks, Kaffeetassen und Wasserflaschen. Techniker und Software-Experten eines französischen Technologie-Konzerns arbeiten mit Hochdruck daran, dem „Star“ den letzten Schliff zu verleihen. Es ist nur wenige Tage her, dass Europas spannendstes Rechenzentrum im Baustellen-Modus war.

„Ein Meilenstein für den Strukturwandel im Rheinischen Revier“

Am Freitag jedoch, bei der offiziellen Einweihung, ist alles tipptopp. „Jupiter ist ein Meilenstein für den Strukturwandel im Rheinischen Revier und für unseren konsequenten Weg von der Kohle zum KI-Hotspot in Europa“, sagte der nordrhein-westfälische Ministerpräsident Hendrik Wüst.  Der Computer unterstreiche „den Anspruch der Bundesrepublik auf eine führende Rolle bei der technologischen Revolution der Gegenwart“, ergänzte Bundeskanzler Friedrich Merz. 

Eine Tür hinter dem Foyer herrscht auch im August schon Ordnung - hier ist der Hauptdarsteller zu finden: Jupiter, Europas schnellster Supercomputer, gibt sich die Ehre. Eine einzelne, gigantische Rechenmaschinerie sucht man vergebens. Mit dem größten Planeten unseres Sonnensystems hat der Supercomputer jedenfalls eines gemeinsam: Viel Masse mit fünfzig nebeneinander aufgebauten, miteinander verbundenen Container-Modulen. Aus dem ersten ist ein ohrenbetäubendes Brummen wie von dutzenden Staubsaugern auf höchster Stufe zu hören, verursacht von dem Gebläse für die Festplatten, von denen hier insgesamt 14.000 Stück verbaut sind. Eine enorme Anzahl.

Die neue Dimension des Rechnens

In den angrenzenden Räumen wird mit Wasser gekühlt. Hier sind ganze 24.000 Chips und 6.000 Server untergebracht. Alles ist miteinander vernetzt, bis zum letzten Kabel. „Ein gewaltiges, zusammenhängendes System, das auch mit Hilfe der Software zum Hochleistungscomputer wird“, erklärt Andreas Herten, der den Bereich „Design neuartiger Systemarchitekturen“ leitet. Ein rechenintensives Basismodell wie den populären KI-Assistenten ChatGPT könne das System in nur zwei Tagen trainieren, heißt es auf der Homepage des Zentrums. Jupiter, schwärmt die NRW-Landesregierung, sei „quasi die Turbine für den neuen Rohstoff Künstliche Intelligenz“. Und im Vergleich zu anderen Spitzenprojekten, auch weil ausschließlich Ökostrom verwendet wird,  besonders energieeffizient. 

Neun bis elf Megawatt wird der Ausnahmerechner im dauerhaften Betrieb benötigen. Damit könnte man 32.000 Durchschnittshaushalte in Köln versorgen. So viel Strom, dass Jupiter nicht an die vorhandene Versorgung angeschlossen werden konnte. Die Netzleitungen des Forschungszentrums mussten erneuert und zwei neue Hochleistungs-Transformatoren auf dem Gelände installiert werden.

Ein Superlativ nach dem anderen. Mehr als eine Trillionen Rechenoperationen pro Sekunde kann der neue Computer bewältigen. Das ist eine Eins mit achtzehn Nullen. Eine schier unvorstellbar große Zahl. Jupiter ist damit zugleich eine der weltweit stärksten KI-Maschinen und eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Simulation komplexer Systeme.

Deutschland liegt in der globalen Rangliste der Supercomputer mit gut 40 Rechnern zwar weit vorne, doch das ist nicht das ganze Wahrheit. Unternehmen wie Amazon, Microsoft und Google beispielsweise lassen ihre leistungsstärksten Rechner nicht in die Liste aufnehmen, und auch China oder Russland reichen seit Jahren keine Daten mehr ein. Und obwohl die Europäische Union mit der Gigafactory-Initiative weiter aufrüsten will, werden in absehbarer Zeit weiter Rechenkapazitäten fehlen. 

Laut einer Studie der Unternehmensberatung Deloitte fehlen bis 2030 in Europa etwa 60 Milliarden Euro für den Ausbau KI-fähiger Rechenleistung. Zur Orientierung: Der „High-Performer“ in Jülich und dessen Betrieb kosten rund 500 Millionen Euro. Die EU übernimmt die Hälfte der Summe, der Bund und das Land NRW jeweils ein Viertel. Aber wozu das Ganze?

Der Kampf gegen Alzheimer

Große KI-Sprachmodelle beispielsweise arbeiten mit künstlichen neuronalen Netzwerken, die von der Arbeitsweise des Gehirns inspiriert sind. Mit deren natürlichem Vorbild beschäftigt sich der Software-Entwickler Thorsten Hater: Mit Nervenzellen, die im menschlichen Denkapparat miteinander kommunizieren. Jupiter soll ihm dabei helfen, das Verhalten einzelner Neuronen noch realistischer zu simulieren.

Viele Modelle des Gehirns behandeln eine Nervenzelle nur als Punkt, der mit anderen Punkten in Verbindung steht. Über diese Verbindungen laufen sogenannte „Spikes“ - das sind elektrische Signale. „Das ist natürlich stark vereinfacht“, sagt Hater, und während man als Laie noch innerlich hofft, die Erklärung möge bitte nicht noch komplexer werden, fährt er fort: „In unserem Modell besitzen die Neuronen eine räumliche Ausdehnung, wie in der Realität. Wir erhalten ein sehr viel realistischeres Bild dieser Prozesse.“ Für die Simulation wird ein Programm benutzt, das mehr als zwei Millionen einzelne Zellen rechnerisch miteinander verschaltet.

Nützlich sind solche Modelle zum Beispiel für die Entwicklung von Medikamenten gegen neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer. Die Veränderungen, die dabei an den Nervenzellen im Gehirn stattfinden, möchte der Physiker und Softwareentwickler mit Jupiter simulieren und untersuchen. „Das Faszinierende an unserem Gehirn ist, dass es kein statisches Gebilde ist. Es ist plastisch, das heißt, es verändert sich binnen Minuten, Stunden oder sogar Tagen, indem es beispielsweise Verbindungen zwischen Nervenzellen stärkt oder schwächt.“ Dies abzubilden, schaffe nur ein Rechner wie Jupiter.

Revolutionäre Ideen zur Energiewende

Weitaus alltäglicher sind die Anwendungen, mit denen sich Mathis Bode beschäftigt. Der Physiker aus Köln untersucht Strömungsphänomene von Flüssigkeiten und Gasen: „Da geht es zum Beispiel um die Aerodynamik von Autos, aber auch um die Vorgänge im Inneren von Turbinen und Motoren.“ Der Fantasie sind nur wenige Grenzen gesetzt. Auch für viele Aspekte der Energiewende spielt die Simulation von Strömungen eine wichtige Rolle: Wie können Batteriepacks effizient gekühlt werden? Wie müssen Klimaanlagen ausgelegt werden, um sparsam ein Gebäude auf konstanter Temperatur zu halten? Wie müssen die Rotorblätter von Windkraftanlagen geformt werden, damit sie optimal die Energie aus der Luft ernten?

Strömungsphänomene werden mit höchst komplexen Differen­tialgleichungen analysiert und beschrieben. Diese zu lösen, ist alles andere als alltäglich und bisher selbst mit Supercomputern nur näherungs­weise möglich. Bode nutzt mittels Jupiter unter anderem ein Software-Paket, mit dem sich neben der reinen Strömungs­mechanik weitere Vorgänge berücksichtigen lassen, wie etwa chemische Prozesse in einem Verbrennungsmotor.

„Dazu muss das Programm die im Motor herrschenden extremen Bedingungen berücksichtigen, die die Strömung beeinflussen, wie hohe Temperaturen, hohe Drücke und starke Verwirbelung“, erklärt der Strömungsexperte. Zusätzlich kann die Software alle relevanten Größen von Strömungsphänomenen gleichzeitig simulieren, ohne wichtige Informationen abzuschneiden.

„All diese Daten zu berücksichtigen, das stellt extrem hohe Herausforderungen an eine Simulation und erfordert einen enorm großen Rechen- und Memorybedarf“, so Bode. Mit Jupiter ändere sich alles. Die Software sei speziell auf die Hardware mit den neu entwickelten 24.000 Grafikkarten optimiert worden, die im neuen Supercomputer eingesetzt werden. „Durch die schiere Anzahl der Prozessoren“ ergebe sich ein enormer Zeitgewinn. sagt Bode: „Was früher zwei Wochen gedauert hat, wird auf Jupiter nur noch einen Tag in Anspruch nehmen“, schwärmt er.

Superhirn auf 2300 Quadratmetern

Giga, Tera, Peta, Exa - etwa alle zehn bis fünfzehn Jahre vertausendfacht sich die Rechenleistung der Supercomputer. Das Forschungszentrum Jülich hat darin jahrzehntelange Erfahrung. Als der „CRAY X-MP“ 1984 in Jülich eingeweiht wurde, der erste von anschließend noch folgenden bahnbrechenden Rechnern auf dem Gelände, galt er als der weltweit schnellste Computer seiner Zeit. Er schaffte 0,32 GigaFLOP/s, also „lediglich“ 320 Millionen Rechenoperationen pro Sekunde.

Jupiter steht in einem Gebäude aus etwa fünfzig Computermodulen auf über 2.300 Quadratmetern Fläche. Im Rechenzentrum muss der Boden drei Tonnen pro Quadratmeter tragen. Zur Unterstützung wurde deshalb eine Betonplatte gegossen, auf der wiederum ein Zwischenboden für Kabel und Anschlüsse steht.

Das Gehirn der Anlage steckt in 125 Metallschränken, sogenannten Racks. In ihnen sind auch die „Grace Hopper Superchips“ des amerikanischen Chipherstellers Nvidia verbaut. Das sind KI-geeignete Graphik-Prozessoren. Nvidia gilt derzeit als das wertvollste Unternehmen der Welt. Der Konzern gibt Neuentwicklungen gerne Namen von Persönlichkeiten, die sich um die Informationstechnik verdient gemacht haben. Das aktuelle Spitzenmodell wurde nach der IT-Legende Grace Brewster Murray Hopper benannt. Einer Frau, die in den 1950er-Jahren die heute noch modernen Programmiersprachen erfunden hat.

So revolutionär die Erfindung der Admiralin der US-Navy war, so leistungsfähig ist der neue Chip. Jeder einzelne dieser kleinen Hochleistungsprozessoren ist genau genommen bereits ein eigener Supercomputer, leistet mehr als bis zu 80 Smartphones zusammen. Ein rechenintensives Basismodell wie den bekannten KI-Assistenten ChatGPT kann Jupiter mal eben binnen zwei Tagen trainieren.

Wer mit Jupiter rechnen will, muss Wissenschaftler-Jury überzeugen

Wer als Forschender mit Jupiter arbeiten möchte, kann sich um kostenlose Rechenzeiten, sogenannte Calls, bewerben. Je nach Vorhaben werden dann sachverständige Wissenschaftler gebeten, das Projekt zu begutachten.

Die Ansprüche sind hoch. Um den Zuschlag zu bekommen, muss beispielsweise schon gezeigt worden sein, dass das Vorhaben auf kleineren Rechnern im Grundsatz funktioniert hat. „Und dass das Projekt einen wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Nutzen bringen kann“, ergänzt Andreas Herten. Auch Privatunternehmen seien nicht ausgeschlossen. Ein Nutzer eines früheren Jülicher Supercomputer ist beispielsweise eine Brandschutzfirma, die erforscht, wie sich Feuer in einem Haus ausbreitet. Unternehmen, die die Ergebnisse anschließend nicht durch unabhängige Gutachter oder Wissenschaftler desselben Fachgebiets beurteilen lassen und sie alleine verwerten wollen, müssen für die Calls vermutlich zahlen.

Aber das werde derzeit noch geprüft, weiß Herten. Als Physiker forscht er schon länger als ein Jahrzehnt „an Graphikkarten und anderer Beschleuniger-Hardware“. Besteht die Möglichkeit, dass einer der mit Jupiter arbeitenden Wissenschaftlern bahnbrechende Entdeckungen macht und Weltgeschichte schreibt? „Es ist nicht mehr die Frage, ob das passiert“, sagt Herten: „Sondern ich warte nur noch, dass es zum ersten Mal geschieht.“

Punktgenaue Wetterprognosen

Eine typische Anwendung, die schon seit Jahrzehnten ohne die Rechenleistung von Supercomputern nicht denkbar wäre, ist die Wettervorhersage. Bisher lassen sich kurze Zeiträume mit einer hohen räumlichen Auflösung berechnen und so - ausgehend von aktuellen Messwerten und Beobachtungen - eine Prognose für das Wetter der kommenden Tage stellen. Es ist zudem möglich, mit einer niedrigeren Auflösung zu arbeiten und dann über Jahrzehnte hinweg die globale Klimaentwicklung zu simulieren. „Wir wollen damit allerdings sehr viel weiter und präziser in die Zukunft schauen, also detaillierte, langfristige Klimavorhersagen erstellen“, erklärt die Meteorologin Sabine Grießbach.

Wie wird sich die weltweite Durchschnittstem­peratur verändern, wenn wir weiter CO2 in die Atmosphäre pumpen? Und wie sieht es aus mit Extremwetterereignissen? Werden Hitzewellen in Zukunft häufiger über uns hereinbrechen? Und mit welcher Intensität? Dank der Rechenleistung von Jupiter sollen diese Fragen künftig so genau wie nie zuvor beantwortet werden. Der entscheidende Vorteil, den der Rechner bietet, heiße „geringere Maschenweite“, sagt Grießbach. Die derzeitigen Systeme legen ein Gitternetz aus Dreiecken um den Erdball, etwa 13 Kilometer breit, um die relevanten Größen wie Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit zu berechnen.

„Mit Jupiter können wir zukünftig räumliche Auflösungen von etwa einem Kilometer simulieren“, führt Lars Hoffmann, Experte für Atmosphärenforschung und Modellierung, weiter aus: „Auch extreme Wetterlagen können dadurch wesentlich genauer lokalisiert werden - eine deutliche Verbesserung für die Vorhersage von Starkregen und heftigen Gewittern.“

Schnellster und bester Supercomputer in Europa

Andreas Herten betreut einige wichtige Nutzer des Rechners. Seit etwa zwölf Jahren beschäftigt er sich mit Grafikkarten. Er war von Anfang an dabei, als das Potential der Karten erkannt wurde, nicht nur einzelne Pixelpunkte in einem Bild parallel zu färben und darzustellen. Statt Pixel können auf der Hardware auch andere Rechenoperationen gleichzeitig durchgeführt werden, hatte man damals erkannt.

Die Idee wurde auch in Jülich beharrlich weiterentwickelt. „Wir haben versucht, die Funktionsweise zu verstehen und die Systeme mit unseren wissenschaftlichen Anwendungen dann nutzbar zu machen“, so Herten. In diesem Zusammenhang sei unter anderem eng mit dem aktuellen Jupiter-Lieferanten Nvidia zusammengearbeitet worden. Die jetzt eingesetzten energieeffizienten Karten jedenfalls seien bei nicht allzu anspruchsvollen Berechnungen über zehnmal schneller als herkömmliche Prozessoren und „wirken deshalb wie ein Turbobeschleuniger vor allem bei großen Simulationen“, betont Herten: „Es ist schon toll, zu sehen, dass die jahrelange Arbeit zu solch bemerkenswerten Ergebnissen geführt hat.“

Und jetzt, wo es so weit ist, drängt die Zeit. Lediglich kurze fünf Jahre beträgt die durchschnittliche Lebenserwartung für einen Supercomputer, dann hat sich die Hardware überholt. In dieser Zeit sollen die Berechnungen und Simulationen in Jülich dabei helfen, der Forschung einen gewaltigen Schub zu geben, um die großen Probleme der Menschheit zu lösen.

Das müsse nicht automatisch heißen, dass Jupiter schon in wenigen Jahren wieder abgeschaltet wird, sagt Herten. Etwa wenn sich zeige, dass der Rechner nach Ablauf des Förderzeitraums seinen Zenit noch nicht überschritten hat. Denkbar sei dann auch eine Erweiterung.

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Von

Detlef Schmalenberg

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Sind die Forscher denn stolz darauf, an einem Projekt wie Jupiter beteiligt zu sein? Sei denn gejubelt worden, als die EU den Zuschlag für Jülich gegeben hat? Oder wurde sogar ein wenig gefeiert, als Jupiter im Juni, noch nicht einmal ganz aufgebaut und weit entfernt von der Maximalleistung, nach einem Testlauf zum schnellsten Supercomputer in Europa gekürt wurde und auf der TOP500-Liste der weltweit schnellsten Rechner auf dem 4. Platz landete?

„Stolz, ähhh, ja, im Prinzip schon“, sagt Computerspezialist Benedikt von St. Vieth vom Forschungszentrum. Genauso wissenschaftlich zurückhaltend wie sympathisch. „Unbedingt, stolz“, ergänzt sein Kollege Andreas Herten etwas offensiver und lächelt: „Das ist die absolute Spitze der Hardware, was wir hier haben. Und es ist doch der Traum eines Wissenschaftlers, mit solch einem System arbeiten zu dürfen.“ So „richtig gefeiert“ wurde bisher zwar nicht. „Aber das wird noch nachgeholt, bestimmt.“