inforum 1/2006 - HIPEC II
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HIgh PErformance Computing Nordrhein-Westfalen
Arbeitskreis der Leiter von Rechenzentren an wissenschaftlichen Hochschulen des Landes Nordrhein-Westfalen (ARNW)
Ein kooperatives Versorgungskonzept für das Hochleistungsrechnen in den Hochschulen des Landes.
Eine Stellungnahme des Arbeitskreises der Leiter von Rechenzentren an wissenschaftlichen Hochschulen des Landes Nordrhein-Westfalen (ARNW)
Ein Konzept zur mittel- und langfristigen Entwicklung des High Performance Computing in NRW
Für Hochschulen in Nordrhein-Westfalen ist neben einer generell leistungsfähigen Informations- und Kommunikationsinfrastruktur (IuK-Infrastruktur) insbesondere die Verfügbarkeit von Rechnern für das High Performance Computing (HPC) ein entscheidender Differenzierungsfaktor im nationalen und internationalen Wettbewerb.
Das hier vorgelegte »Kooperative Versorgungskonzept für das Hoch- und Höchstleistungsrechnen in den Hochschulen des Landes« ermöglicht den Hochschulen, die Investitionsplanung in diesem Segment der IuK-Infrastruktur auf eine gesicherte Planungsbasis zu stellen. Damit ist keine feste Mittelzusage verbunden, da einerseits das entsprechende Antrags- und Begutachtungsverfahren des Hochschulbauförderungsgesetzes (HBFG) abgeschlossen sein muss und andererseits das Ministerium an die Vorgaben des Haushaltsgesetzgebers gebunden ist. Allerdings führt der skizzierte Abstimmungsprozess dazu, dass ein fachlich positiv begutachteter und empfohlener Beschaffungsantrag mit hoher Wahrscheinlichkeit realisiert werden kann. Weiterhin versetzt es Hochschulen in die Lage, durch das Partizipieren an einem Verbund Ressourcen zu nutzen, die eine Hochschule für sich alleine nicht oder nur unter großen Anstrengungen hätte beschaffen können.
Die vorgelegte Konzeption bietet Instrumentarien und Wege, die vorhandenen Ressourcen ökonomisch zu nutzen. Dies gelingt vor allem durch die starke Präferierung des Verbund- bzw. Kooperationsgedankens.
Rechnerausstattung
Die Heterogenität der Rechnersysteme in den Hochschulen des Landes hat sich bewährt. In den letzten Jahren hatte sich eine Konvergenz hin zu Linux- oder Open Source Unix (z. B. Solaris) basierten SMP-Clustern ergeben; aber in letzter Zeit werden von den großen Rechnerherstellern auch wieder stark auf bestimmte Anwendungsklassen zugeschnittene Architekturen auf den Markt gebracht. Beispiele sind das Niagara-Design von Sun mit massivem Multithreading, »field programmable gate arrays«-Erweiterungen von Intel Chips durch Cray, massiv-parallele Gitterrechner wie Blue Gene von IBM oder Vektorrechner auf einem Chip wie der Cell-Prozessor von IBM/Sony. Deshalb ist es im HPC-Bereich auch in Zukunft weiterhin wichtig, Anwendungsanforderungen mit Hardware-Möglichkeiten sinnvoll abstimmen zu können.
Vor diesem Hintergrund ist es Ziel des kooperativen Versorgungskonzeptes, zukünftig sowohl eine ausgewogene Rechnervielfalt auf aktuellem technischen Niveau zu erhalten, wie auch sicherzustellen, dass durch eine entsprechende Größe der Ressourcen der wissenschaftliche Mehrwert maximiert und der Betriebsaufwand minimiert wird. Dabei soll die Beschaffung im Rahmen der skizzierten verstetigten Investitionsplanung erfolgen.
Für die Nutzung der Hoch- und Höchstleistungsrechner ist eine adäquate Ausstattung mit geeigneter Software auf allen Ebenen der sog. Rechnerpyramide notwendig. Für die kommerzielle Software wird die Beschaffung im Rahmen des HBFG-Verfahrens angestrebt, wenn dies durch die Bündelung der Nachfrage sinnvoll möglich ist. Dies bedeutet aus Landessicht den Erwerb von entsprechenden Landeslizenzen für alle Hochschulen des Landes. Verschiedene in den letzten Jahren durchgeführte koordinierte Software-Beschaffungen zeigen, dass unabhängig von der Art der Software diese Bündelung zu äußerst vorteilhaften Konditionen führt, die selbst großen Hochschulen auf sich allein gestellt nicht eingeräumt worden wären.
Auch muss sichergestellt werden, dass durch geeignete Mechanismen die für die Nutzung paralleler Rechner notwendige Anwendungs- und Programmierkompetenz vorhanden ist, um Anwender in der Nutzung von HPC-Ressourcen zu unterrichten und vorausschauend den Markt zu sondieren. Hierdurch wird die Eigenentwicklung von Software im Bereich des Hoch- und Höchstleistungsrechnens unterstützt und der Einsatz von personellen und finanziellen Ressourcen im HPC-Umfeld optimiert.
Investitionsmodell
Ist-Analyse
Der Menge und Vielfalt der Hochschulen des Landes steht eine Knappheit der Ressourcen beim Land und den Hochschulen gegenüber. Unter Ressourcen sind hierbei Investitions- und Personalmittel, sowie konsumtive Mittel zu verstehen. Die Bereitstellung von investiven Mitteln wird häufig mit der Darstellung eines entsprechenden Bedarfes oder einer strategischen Bedeutung verbunden. Da es sich in der Regel um einmalige Ausgaben handelt, lassen sich in diesem Bereich jedoch verhältnismäßig gut Mittel zur Verfügung stellen – auch wenn es dabei mitunter zu einer zeitlichen Verzögerung oder einer Streckung kommt. Weitaus größere Problemfelder sind die konsumtiven und die Personalmittel. Beide werden aus den Globalhaushalten der Hochschulen bestritten, die durch den Qualitätspakt von Kürzungen ausgenommen sind. Allerdings ist auch nicht mit einer Erhöhung der Mittelansätze in den Hochschulhaushalten zu rechnen. Im Rahmen der Finanzautonomie unterliegen diese Haushalte der Bewirtschaftung durch die Hochschulen.
Das wesentliche Element des kooperativen Versorgungskonzeptes für das Hochleistungsrechnen ist eine verstetigte Investitionsplanung zwischen den Hochschulen des Landes. Hierzu werden zunächst die geplanten Investitionen bzw. Reinvestitionen für einen Planungszeitraum, der in der Größenordnung von ein bis zwei Jahren liegen sollte, gesammelt und mit Prioritäten versehen. Die von den Hochschulen daraufhin eingereichten Beschaffungsanträge werden vom Ministerium unter Bezugnahme auf die Prioritätensetzung in das Begutachtungsverfahren gegeben. Nach einer entsprechenden positiven Begutachtung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Empfehlung des Wissenschaftsrates werden die Anträge im Rahmen der haushaltsmäßigen Mittelverfügbarkeit entsprechend ihrer Prioritätenreihenfolge bedient. Zum Ende des jeweiligen Planungs- bzw. Realisierungszeitraumes werden den Hochschulen entsprechende Ergebnisberichte bekannt gegeben.
Grundsätzlich gibt es aber für die Hochschulen keinen Zwang zur Antragstellung und auch keinen Automatismus der Mittelbereitstellung. Allerdings erhalten die Hochschulen so die Möglichkeit, die Versorgung mit einer Komponente der Rechnerpyramide, nämlich dem Hochleistungsrechner, auf der Basis einer gesicherten Planung zu realisieren. Im Gegenzug erklären sich die Hochschulen bereit, Kapazitäten dieses Rechners planbar und mit definierter Dienstgüte auch anderen Hochschulen des Landes zur Nutzung freizugeben. NRW hat dazu mit dem Ressourcenverbund NRW (RV-NRW) einen geeigneten organisatorischen und technischen Rahmen. In diesem Verbund werden Dienste der Hochschulrechenzentren landesweit verfügbar gemacht. Damit erhalten auch Hochschulen mit geringerer personeller, maschineller und/oder finanzieller Ausstattung insbesondere auch die Möglichkeit, ihren Wissenschaftlern und Forschern entsprechende Rechenkapazität anbieten zu können. Diese dynamische Planung ermöglicht es, den Erfordernissen der Hochschulen und des Landes gerecht zu werden.
Umsetzung
Zur Umsetzung dieses Investitionsmodells bedarf es entsprechender Absprachen zwischen den Hochschulen und dem Ministerium. Dabei müssen die Terminvorgaben des HBFG-Verfahrens berücksichtigt werden. Das Modell der verstetigten Investitions- und Beschaffungsplanung stellt sich in einer chronologischen Abfolge prinzipiell wie folgt dar:
Der DV-Infrastrukturausschuss erarbeitet alle zwei Jahre eine strategische Konzeption, die u. a. die geplanten Investitionen/ Reinvestitionen für die nächsten zwei Jahre enthält.
Nach Abstimmung mit dem Ministerium wird den Hochschulen dieser Entwurf mitgeteilt.
Danach reichen die Hochschulen für die Investitionsplanung des Folgejahres ihre entsprechenden Anträge ein. Im Regelfall soll dies bis zum 31.03. des laufenden Jahres erfolgen.
Die Anträge werden vom Ministerium gesammelt, geprüft und mit Prioritätenfolge an die DFG weitergeleitet.
Sofern eine ausreichende Anzahl an Anträgen vorliegt, wird eine Prüfung im Rahmen von nur einer Gutachtersitzung angestrebt. Wünschenswert wäre der Abschluss der Begutachtung bis zum 30.10. des laufenden Jahres.
Sofern das Begutachtungsverfahren positiv abgeschlossen wird, kann dann die Beschaffung des Hochleistungsrechners im Rahmen der gesetzlichen Vorgaben eingeleitet werden.
Der DV-Infrastrukturausschuss wird über den Ausgang der Begutachtungsverfahren und der abgeschlossenen Beschaffungen einmal jährlich informiert.
Rahmenbedingungen
Zur fachlichen Ausgestaltung gehört die Beschreibung der folgenden Rahmenbedingungen:
Netzinfrastruktur,
Organisation des Betriebs und der Nutzungsarten,
Zugangsvoraussetzungen,
Zugangsregelungen,
Verlässlichkeit der Dienstleistung,
Bildung von Nutzergruppen.
Rechnerversorgungspyramide in einem Kompetenzverbund
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Zentrum für Informationsverarbeitung (Universitätsrechenzentrum)
