Rechenzentren benötigen große Mengen an Energie. Im Verbundprojekt NAAICE (netzwerkgekoppelte Beschleuniger für energieeffizientes heterogenes High-Performance Computing), das im September 2022 gestartet ist, arbeitet das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) daran, die Energieeffizienz von HPC-Rechenzentren zu steigern. Dafür benutzen die Forschenden die am Institut entwickelte Technologie Network-Attached Accelerators (NAA). Sie erlaubt es, wiederkehrende rechenintensive Spezialoperationen auf angepasste Hardware auszulagern und so deutliche Energieeinsparung bei gleicher oder verbesserter Rechenleistung zu erreichen. NAAICE läuft insgesamt für drei Jahre bis September 2025. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderrichtlinie „GreenHPC“ mit 1,7 Mio. Euro finanziert. Davon erhält das Fraunhofer HHI 468.000 Euro.

High Performance Computing (HPC) gehört in vielen wissenschaftlichen Disziplinen zu den grundlegenden Forschungsmethoden. Es wird zum Beispiel in der Klimamodellierung, in der Astrophysik oder in der Biologie eingesetzt. HPC benötigt hohe Rechenleistungen und dementsprechend große Energiemengen.

Um HPC-Anwendungen nachhaltiger zu gestalten, arbeitet das NAAICE-Team daran, Kapazitäten in HPC-Rechenzentren effizienter einzusetzen. Herkömmliche Rechenzentren haben eine sogenannte homogene Systemarchitektur. Das bedeutet, dass alle verwendeten Rechner auf den gleichen Standardkomponenten aufgebaut sind und für eine Vielzahl von Abläufen eingesetzt werden können. HPC-Anwendungen benutzen meist nur spezielle Teile eines Standard-Computers. So geht mit dieser Systemarchitektur viel Kapazität verloren.

Ziel des NAAICE-Projekts ist es, eine heterogene Systemarchitektur aufzubauen, in der die Computer für Spezialanwendungen flexibel ausgestattet werden. Dafür arbeitet das Team mit integrierter Schaltkreisen, sogenannten Field Programmable Gate Array (FPGA). FPGAs unterscheiden sich von herkömmlichen Schaltkreisen dadurch, dass sie kontinuierlich mit neuen Funktionen ausgestattet werden können und somit sehr flexibel sind.

Kerntechnologie des Projekts ist das neuartige, auf FPGAs basierende Konzept des Network-Attached Accelerators (NAA). NAA wurden von der Gruppe „Eingebettete Systeme“ in der Abteilung „Videokommunikation und Applikationen“ am Fraunhofer HHI entwickelt. Im Gegensatz zu bisherigen Konzepten FPGAs in Rechenzentren einzubinden, sind NAAs von der engen Anbindung an Serverprozessoren entkoppelt und stattdessen dynamisch nutzbar direkt per Netzwerk angebunden. So bieten sie mehr Flexibilität und gleichzeitig einen geringeren Energieverbrauch durch eine bessere Auslastung.

Im Rahmen des Projektes wird nun u.a. Software entwickelt, um NAAs in HPC-Rechenzentren zu integrieren. Dabei müssen die Partner die Middleware und Laufzeitumgebungen sowie das Ressourcen-Management-System (RMS) für das Energie-Monitoring der Rechenzentren anpassen.

Neben dem Fraunhofer HHI sind die Universität Potsdam, das Zuse-Institut Berlin, das GeoForschungsZentrum Potsdam und die PERFACCT GmbH am Projekt beteiligt. Die Ergebnisse werden bei Projektende als Open-Source-Software zu Verfügung gestellt.