128 Server auf 2U mit 1.536 Rechenkernen und 6 TB DRAM Der Micro-Server aus dem IBM-Labor macht bei Astron Karriere

Redakteur: Ulrike Ostler

Bisher gibt es den 64-bit-Micro-Server mit Heißwassekühlung lediglich als Prototyp. CeBIT-Besucher konnten ihn heuer erstmalig bewundern. Doch jetzt geht die Entwicklung in eine zweite Phase: Astron, das Niederländische Institut für Radio-Astronomie, entwickelt gemeinsam mit IBM den Server weiter.

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Aus diesen drei Hauptbestandteilen setzt sich der erste mit heißem Wasser gekühlte Micro-Server von IBM zusammen.
Aus diesen drei Hauptbestandteilen setzt sich der erste mit heißem Wasser gekühlte Micro-Server von IBM zusammen.
(Bild: Ostler)

Der Prototyp dieser Zusammenarbeit, der kaum größer ist als ein Smartphone (siehe: Video), ist Teil einer IT-Roadmap, die für das so genannte Square Kilometre Array (SKA) vorgeschlagen wird. Das von einem internationalen Konsortium geplante SKA wird nach seiner Fertigstellung das weltweit größte und empfindlichste Radioteleskop sein und eine ultimative Big-Data-Herausforderung darstellen. Die Wissenschaftler schätzen, dass die für den Betrieb des Teleskops benötigte Rechenleistung derjenigen von mehreren Millionen der heute schnellsten Computer entsprechen wird.

Wenn das SKA-Teleskop 2024 in Südafrika und Australien in Betrieb geht, wird es eine unvorstellbare Menge an Radiodaten aus den Tiefen des Weltraums empfangen. Mehrere Tausend Antennen mit einer Gesamtantennenfläche von einem Quadratkilometer werden jeden Tag 14 Exabyte an Daten sammeln und 1 Petabyte speichern.

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Die 35,9 Millionen-Euro-Partnerschaft

Das SKA stellt damit extreme Anforderungen an die eingesetzten Datenverarbeitungssysteme. Um diese einzigartigen Anforderungen zu erfüllen, haben IBM Research – Zürich und Astron eine auf fünf Jahre angelegte Public-Private-Partnership mit der Bezeichnung „Dome“ und einem Gesamtfinanzierungsrahmen von 35,9 Millionen Euro ins Leben gerufen. Benannt ist das Projekt einerseits nach der charakteristischen Kuppel von Radioteleskopen, die im Englischen „dome” heißt, und anderseits nach dem höchsten Schweizer Berg, dessen Basis komplett in der Schweiz liegt.

Albert-Jan Boonstra, der wissenschaftliche Direktor von Astron sagt: „Das SKA wird es uns ermöglichen, große Lücken in unserem Wissen über das Universum zu schließen. Mit dem Teleskop werden wir das so genannte Mittelalter des Universums – das Zeitalter der kosmischen Reionisation – als sich die Sterne und Galaxien bildeten, erforschen können.“

Daten, Daten, Daten - die Herausforderungen für Dome

Besondere Herausforderungen an die eingesetzten Datenverarbeitungssysteme stellen einerseits die über weite Flächen verteilten Antennen des SKA und anderseits die riesige Menge an zu verarbeitenden Daten dar. Um diese Herausforderungen zu meistern, braucht es eine äußerst leistungsfähige IT-Infrastruktur mit Datenverbindungen, deren Kapazität und Leistung die der besten heutigen Technologie um ein Vielfaches übersteigen und die fähig sind, diese Menge an Daten zu erfassen, zu analysieren und zu speichern.

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Im Rahmen des Dome-Projekts entwickelt daher ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftlern von IBM und Astron eine auf einem datenzentrischen Model basierende Technologie-Roadmap für hocheffiziente Exascale-Systemarchitekturen. Ein Teil dieser Roadmap ist ein äußerst effizienter Micro-Server, bei dem alle Komponenten eines Motherboards mit Ausnahme des Speichers direkt auf einem einzelnen Microchip integriert sind.

Warum Micro wichtig ist

Im SKA könnte der Micro-Server auf zwei verschiedene Weisen eingesetzt werden: Einerseits könnte er in der Nähe oder direkt an den Antennen eine erste Filterung und Echtzeitanalyse der empfangenen Daten durchführen. Dies würde die Menge der Daten, die anschließend weitertransportiert werden müssen, verringern.

Eine andere Möglichkeit wäre der Einsatz des Microservers in einer sehr dichten Konfiguration in den Rechenzentren des SKA. Hierzu würden viele Micro-Server sehr eng in einem Rack verbaut werden. Damit wäre ein viel kompakteres und leistungsfähigeres Rechenzentrumsdesign möglich als mit traditionellen Servern.

Der Micro-Server ist nicht nur extrem kompakt, sondern wird auch sehr Energie-effizient sein: Ziel der IBM Forscher ist es, den Micro-Server inklusive des gesamten System-on-Chip (SoC oder Ein-Chip-System) mit 35 bis 40 Watt zu betreiben.

Die Kühlung mit heißem Wasser

Eine zentrale Innovation ist eine einzigartige Heißwasserkühlung: Eine Kupferplatte sorgt dabei einerseits dafür, dass die Betriebstemperatur des Chips 85 Grad Celsius nicht überschreitet, und versorgt andererseits gleichzeitig den Server mit Strom.

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Dank dieses Kühlsystems ist eine sehr enge Konfiguration von vielen Micro-Servern in einem Rack möglich. Das Konzept basiert auf der gleichen Technologie, wie sie auch von IBM im SuperMUC Hochleistungsrechner am Leibniz Rechenzentrum in München verwendet wird (siehe: Artikel unten). Die Heißwasserkühlung verhindert nicht nur ein Überhitzen der Micro-Server, sondern ermöglicht auch die Weiterverwendung der Abwärme. Diese könnte im Fall eines Rechenzentrums zum Beispiel für die Klimatisierung von Räumen verwendet werden.

Forscher bekommen Superrechner mit Superdurchblick

Superlative im Rechenzentrums-Design für SuperMUC

„Ich nenne es das Rechenzentrum in der Box“, sagt Ronald Luijten, Data Motion Architect und Projektleiter am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich. Das dortige Team hat bereits den Prototypen des 64-Bit Micro-Server entwickelt und erfolgreich getestet.

Die Ausstattung des Prototypen

Dieser besteht aus einem „PowerPC“-basierter Chip von Freescale Semiconductor und wurde mit „Linux Fedora“ und „IBM DB2“ getestet. Trotz seiner Größe von gerade einmal 133 Millimeter x 55 Millimeter bewältigt der Micro-Server alle notwendigen Funktionen von heutigen Servern, die vier- bis zehnmal so groß sind.

Als nächsten Meilenstein planen die Wissenschaftler die Integration von 128 Micro-Servern mit dem neusten „T4240“-Chip in einem 2U Rack mit 1.536 Rechenkernen und 3.072 Threads sowie sechs Terabyte DRAM. Außerdem werden sie einen Ethernet-Switch, ein Power-Modul und die Heißwasserkühlung implementieren.

Am 27. Juni 2014 lancierten IBM und Astron zusammen mit der Universität Groningen das European Research Center for Exascale Technology (Ercet). Das Dome-Projekt wird Teil des Ercet werden, genauso wie Projekte, die sich mit Big-Data-Anwendungen in den Sektoren Energie, Gesundheitswesen und Wasser-Management befassen.

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