Superrechner: Deutscher Wetterdienst errechnet das Wetter ...

Teaser: Manche mögen sich fragen, ob eine Wettervorhersage eine nur simple Form des "Wahrsagens" ist. Weit gefehlt! Auch wenn nicht alle Prognosen zutreffen, arbeiten die Wetterdienste mit moderner Hightech. Wie Supercomputer versuchen unser Wetter vorherzusagen, erfahren Sie in diesem Artikel.

Deutscher Wetterdienst installiert schnellsten Vektorrechner

Überall in der Welt verlässt man sich auf eine genaue Wettervorhersage – der einfache Bürger ebenso, wie Experten aus Landwirtschaft, Schiff- und Luftfahrt. Sie ist abhängig von einer genauen und umfassenden Datenerstellung, die von nationalen Wetterdiensten rund um den Globus organisiert und verarbeitet wird. Einer dieser Wetterdienste ist der Deutsche Wetterdienst (DWD) in Offenbach, in Deutschland.

Cluster überblick
Cluster-Überblick: In zwei getrennten Räumen verrichtet das SX-9-System seine Arbeit

Rund um die Uhr beschäftigt man sich hier, am südlichen und südöstlichen Ufer des Mains am Mainbogen, mit Stürmen, Regen- oder Hagelschauern: Wettererscheinungen, die meist plötzlich und unerwartet auftreten.

Um diese scheinbar unberechenbaren Erscheinungen noch berechenbarer zu machen, hat der DWD nun einen neuen Supercomputer von NEC installiert.

Der SX-9 stellt dabei nicht nur den schnellsten Vektorprozessor zur Verfügung, der Wetterdienst will bis 2010 mit dem neuen Vektorrechner die bisherige Leistung insgesamt um das 45fache steigern.

Der Ansturm der deutschen sowie internationalen Presse zeigte, dass am 17. März 2009 ein ganz besonderes Geheimnis gelüftet werden sollte. Schon nach einigen Minuten war es dann amtlich: Die Zentrale des DWD nimmt den neuen Supercomputer SX-9 von NEC in Betrieb. Das Hauptaugenmerk soll dabei auf die vor 50 Jahren entwickelte numerische Wettervorhersage liegen.

Denn durch die höhere Leistungsfähigkeit und die besondere Schnelligkeit des Rechners können in Offenbach nun noch komplexere Vorhersagemodelle eingesetzt werden als zuvor. Der SX-9 ist ein wahrer Spezialist, wenn es um den “Chaot“ Wetter geht. Der Supercomputer ist mit dem weltweit stärksten Vektorprozessor von über 102,4 Gigaflop/s und einer Hauptspeicherbandbreite von satten vier Terabyte/s pro Knoten ausgestattet.

Gerade bei der Wetterprognose spielt der elektronische Wetterfrosch seine Stärken aus. Durch die zunehmend höhere und räumliche Auflösung der Simulationsmodelle in der Klima- und Wetterforschung, müssen immer größere Datenmengen bewältigt werden. Die eingesetzten Modelle haben in aller Regel eine hohe Anforderung an die Anbindung des Hauptspeichers an den Prozessor. So nützt der schnellste Prozessor herzlich wenig, wenn die Daten nicht schnell genug aus dem Hauptspeicher geladen und zurückgeführt werden können.

Hier erreicht der SX-9 ein weltweit einzigartiges und bewiesenes Verhältnis aus hoher Prozessorleistung, bei gleichzeitigem schnellen Schreib- und Lesezugriff auf den Hauptspeicher. Dass der Rechner, mit seiner jetzigen Konfiguration ordentlich Power besitzt, zeigen einige Rekorde beim HPCC-Challenge-Benchmark. Dabei handelt es sich um insgesamt sieben streng durchgeführte Tests, die gegenüber dem Linpack-Test ein künstliches Hochtakten verbieten.

Das Positive für Unternehmen: Anhand der in diesen Tests erzielten Resultate ist es, sofern die Charakteristika der eigenen Applikation gut bekannt sind, leichter möglich, das optimale System für den entsprechenden Einsatz zu finden.

Ein hochverfügbares System ...

Superrechner power switch
Power-Switch: Hochverfügbarkeitsswitch sorgt für die Kommunikation zwischen Speicher und Rechner

„Wir haben gemäß den Vorgaben des DWD für die zeitkritischen Arbeitsabläufe der operationalen Wettervorhersage ein sehr effektives und “hochverfügbares“ Lösungskonzept entwickelt“, so Dr. Thomas Schoenemeyer, von NEC Deutschland und Leiter HPC Presales.

„Der SX-9 ist einfach mehr als nur ein gewöhnlicher Superrechner“, legt er schon etwas stolz nach. Was er damit meint, weiß man spätestens, wenn man die zum System gehörenden Hardwarekomponenten betrachtet.

So besteht das System nämlich aus zwei unabhängigen Computer-Clustern, die in getrennten, aber nebenan liegenden Räumen installiert sind. Seit dem Herbst 2008 werden beide Systeme zuerst als Übergangssystem mit dem SX-8R, ebenfalls von NEC, und jetzt in der endgültigen SX-9-Konfiguration verwendet. Insgesamt leisten beide Systeme je 23 Teraflop/s, umgerechnet 23 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde.

Besondere Stärken des Systems liegen in der optimierten MPI-Library, als auch im zuverlässigen Workloadmanager, der ein schnelles Umschalten auf kurzfristige Rechnungen, selbst bei einem voll ausgelasteten System, erlaubt. Letzterer ist die zentrale Komponente, die eine Ausführungszeit von Arbeitseinheiten garantiert und einen verlässlichen Zugriff auf Datenbanksysteme ermöglicht.

40 Petabyte: Eine Besonderheit

Jeder Rechner verfügt über 7168 Gigabyte Hauptspeicher, was gegenüber eines handelsüblichen Rechners ein Quantensprung ist – sind diese meist mit zwei bis vier Gigabyte ausgestattet. Dem SX-9-System ist jeweils ein so genannter Linux-Cluster SUN Fire x4600M2 vorgeschaltet. Hier werden die meteorologischen Messdaten vorher verarbeitet und je nach Modellrechnung Karten, Meteogramme oder Warnungen erstellt.

Superrechner cluster reihe
Cluster-Reihe: Wie aneinander gereihte Telefonzellen wartet jeder Cluster auf seine Daten

Eine Besonderheit stellen zweifelsohne die beiden StorageTek SL8500 dar, kurz Bandbibliotheken. Jede einzelne bietet Platz für über 10.000 Magnetbandkassetten und bis zum Jahr 2012 soll das Gesamt-Volumen insgesamt 40 Petabyte betragen. Zum Vergleich: Das sind nicht weniger als vier Millionen DVDs. Auf die über 50 Bandlaufwerke wird mit 16 Roboterhänden zugegriffen. Hierbei ist es egal, ob geschrieben oder gelesen wird: Beides ist gleichzeitig möglich.

„Wer Wettermodelle mit Supercomputern berechnet, ist auf zwei Faktoren angewiesen: Leistung und Zuverlässigkeit“, betont Prof. Geerd-Rüdiger Hoffmann, DWD-Vorstandsmitglied und verantwortlich für die technische Infrastruktur des nationalen Wetterdienstes.

Dass sich die Anschaffung des SX-9 lohnen wird, zeigt Hoffmann anhand der neuen Möglichkeiten auf, die sich mit der Anschaffung des Rechners eröffnen: „NEC hat in den letzten Jahren bewiesen, dass seine Vektor-Supercomputer im Bereich Klimaforschung technisch kaum zu überbieten sind. Der Wechsel auf die neue Technologie ist für uns ein wichtiger Schritt, um künftig mit so genannten Ensemble-Vorhersagen in Kombination mit einem hoch auflösenden Wettermodell zu arbeiten.“

Parallele Simulation: Ensemble-Vorhersagen

Gerade bei Frühwarninformation, die einen Radius bis zu fünf Tagen im Voraus einnehmen, nutzt man die Ergebnisse dieser Ensemble-Rechnungen. Sie bestehen aus Variationen der Anfangswerte eines Modells aus einem Ensemble von Vorhersagerechnungen. Jede Vorhersage entsteht also aus 10, 20 bis zu 50 parallel gerechneten Modellsimulationen. Auf Grundlage dieser Ensemble-Rechnungen konnte der DWD im Januar 2007 bereits fünf Tage im Voraus vor dem Orkan KYRILL warnen. Mit dem neuen System ist nun eine noch genauere Vorhersage solcher zerstörerischen Erscheinungen möglich. Eine Genauigkeit, die Leben retten kann.

percomputer storage center
Storage-Center: Riesen-Festplatte speichert die erhobenen Daten

Aber auch für Warnungen vor extremen Gewitter und Starkniederschlägen ist der Rechner gut gerüstet. Diese Wettererscheinungen sind besonders wegen ihrer kleinräumigen Struktur und der kurzen Zeitspanne, in der sie walten, sehr schwer zu lokalisieren.

Zusammen mit COSMO-DE, einem lokalen Wettermodell und bei einer Auflösungen von 2,8 Kilometern, ist der meteorologische Dienst nun in der Lage bis zu 18 Stunden im Voraus auch einzelne Gewitterzellen zu simulieren.

Ist demnach ein Besuch im Schwimmbad geplant, lohnt sich vorher also der Blick auf die getätigte Vorhersage. Diese sagt dem Badefreund dann genau, ob ein Besuch im nahe liegenden Schwimmbad nicht buchstäblich ins Wasser fällt. Und gerade diese Genauigkeit hat sich in den letzten fünf Jahren immer weiter verbessert.

„Der Supercomputer-Hype der letzten Jahre setzt auf immer höhere Rechenpower – in der Theorie. Der Nutzer der Großrechner interessiert sich aber vor allem für eines: Die reale Applikationsleistung der Rechner“, sagt Thomas Schoenemeyer zur Entwicklung der Supercomputer. Daher fußt die Supercomputer-Philosophie von NEC auf zwei Säulen: „Starke Performance in der Praxis und eine ausschließlich pazifistische Nutzung.“ sagt er weiter – ein Pazifismus, der einigen Rechnern der Top500 fehlt.

Blick in die Zukunft der Superrechner

Aber nicht der militärische, vielmehr der meteorologische Blick in die Zukunft soll die nächste Generation der Supercomputer aufzeigen. Der SX-9 geht hierbei ein ganz großen Schritt in die richtige Richtung. Mit seiner Beschaffenheit wird es möglich sein, den “Chaot“ Wetter soweit vorherzusagen, dass böse Überraschungen zwar nicht verhindert werden können – sie aber weniger bösen Schaden anrichten.

22.07.2012 © seit 04.2009 Markus Henkel  
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