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Supercomputer bilden die Spitze der Informatik. Sie können riesige Datenmengen verarbeiten und komplexe Berechnungen mit hoher Geschwindigkeit durchführen.
Diese Hochleistungsmaschinen werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der wissenschaftlichen Forschung über Simulationen zur nationalen Sicherheit, Klimamodellierung, Industriedesign und künstliche Intelligenz (KI).
Die steigende Nachfrage nach massiven Mengen cloudbasierter Rechenleistung bringt Supercomputing-Technologien in Hyperscale-Rechenzentren. Und die rasche Einführung von KI wird wahrscheinlich zum Bau weiterer Supercomputer auf der ganzen Welt beitragen.
So hat die britische Regierung vor kurzem angekündigt, 900 Millionen Pfund in einen neuen Supercomputer zu investieren.
Dieser soll zu den leistungsstärksten in Europa gehören und die britische Forschung und Innovation im Hinblick auf das Potenzial und die sichere Nutzung der KI-Technologie vorantreiben.
Der Cluster wird Tausende von Grafikprozessoren (engl. Graphics Processing Units, GPUs) zum Trainieren der großen Sprachmodelle (LLMs) umfassen, die heute für die Forschung und Entwicklung von KI benötigt werden.
Da das Vereinigte Königreich einen der weltweit ersten groß dimensionierten, offenen KI-Supercomputer bauen will, stellt sich die Frage, wo die schnellsten Supercomputer der Welt stehen und wie viele es davon gibt.
Die Definition von Supercomputern
Bevor wir uns mit den Zahlen befassen, ist es wichtig zu verstehen, was einen Supercomputer von einem Hochleistungsrechner abgrenzt.
Supercomputer zeichnen sich in der Regel durch ihre außergewöhnliche Rechenleistung aus. Ihre Geschwindigkeit wird in Gleitkomma-Operationen pro Sekunde (engl. floating-point operations per second, kurz: Flops) gemessen.
Dies bezieht sich darauf, wie viele arithmetische Berechnungen sie durchführen können.
Es gibt zwar keinen strengen Grenzwert, der einen Supercomputer von einem normalen HPC-System (High-Performance Computing) unterscheidet, aber Supercomputer sind im Allgemeinen in der Lage, Geschwindigkeiten zu erreichen, die in TeraFLOPs (Billionen) und PetaFLOPs (Quadrillionen) angegeben werden.
Supercomputer werden von Regierungen, Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen für ein breites Spektrum von Anwendungen eingesetzt. Sie reichen von supergroßen bis hin zu kleinen Geräten.
Es gibt heute so viele Supercomputer, dass es schwierig ist, ihre genaue Anzahl zu ermitteln. Darüber hinaus sind einige Systeme aus Gründen der nationalen Sicherheit, der Geopolitik oder des Wettbewerbs nicht öffentlich bekannt.
Das TOP500-Projekt erstellt jedoch alle zwei Jahre eine Rangliste der 500 stärksten Supercomputer der Welt auf der Grundlage ihrer Leistung beim Linpack-Benchmark.
Dieser misst die Geschwindigkeit, mit der ein Computer ein System linearer Gleichungen lösen kann. Dadurch wird ein standardisiertes Verfahren zum Vergleich der Fähigkeiten von Supercomputern geschaffen.
Wo stehen die schnellsten Supercomputer der Welt?
Die 500 schnellsten Supercomputer verteilen sich auf 34 Länder, von denen 27 Länder mehr als ein System haben. Vom November 2017 bis November 2022 verfügte China über die höchste Gesamtzahl an Supercomputern.
Doch ab Juni 2023 stehen die USA mit 150 Supercomputern wieder an der Spitze der Top500-Liste. China hat 134 und wird von Deutschland mit 36 Supercomputern gefolgt.
Japan und Frankreich runden die Top 5 ab, während das Vereinigte Königreich, Kanada, Brasilien, Südkorea und die Niederlande in den Top 10 vertreten sind.
Auch bei der Leistung, gemessen an dem maximal erreichten Linpack-Wert (Rmax), sind die USA mit 2.400.757 TeraFLOPS (TFLOPS) führend. Damit liegen sie weit vor China mit 465.824 TFLOPS.
Das Frontier-System am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee, USA, ist der einzige gemeldete Exascale-Rechner mit einem High-Performance Linpack (HPL) von mehr als einem Exaflop pro Sekunde (1 EFLOP/s).
Das System basiert auf der HPE Cray EX235a Architektur und ist mit AMD EPYC 64C 2GHz Prozessoren und insgesamt 8.699.904 Cores ausgestattet.
Frontier steigerte seine HPL von 1,02 EFLOP/s im November 2022 auf 1,194 EFLOP/s im Juni – ein Plus von 17 %. Exascale galt noch vor wenigen Jahren als ein ehrgeiziges Ziel, was das rasante Tempo der technologischen Entwicklung verdeutlicht.
Der schnellste Supercomputer war bisher das Fugaku-System mit 442 PFLOP/s im Riken Center for Computational Science (R-CCS) in Kobe, Japan (Juni 2020 bis Juni 2022).
Fugaku arbeitet mit dem 48-Core-A64FX-System-on-Chip (SoC) von Fujitsu und ist damit das erste Spitzensystem, das von ARM-Prozessoren angetrieben wird.
Der Supercomputer Summit im ORNL belegte von Juni 2018 bis November 2019 mit einer Leistung von 122,3 PFLOP/s den ersten Platz. Jetzt liegt er mit einer verbesserten Leistung von 148,60 PFLOP/s an fünfter Stelle.
Der Sunway TaihuLight-Supercomputer im National Supercomputing Center in der chinesischen Stadt Wuxi war im Zeitraum von Juni 2016 bis November 2017 der schnellste und rangiert nun mit einer Geschwindigkeit von 93,01 PFLOP/s auf dem siebten Platz.
Chinas Entwicklung von Supercomputern wurde durch die US-Sanktionen beeinträchtigt, die den Zugang des Landes zu Halbleiterausrüstungen und anderen fortschrittlichen Technologien, die für militärische oder nachrichtendienstliche Zwecke genutzt werden können, beschränken.
Es gibt jedoch Berichte, wonach China über weitere modernste Supercomputer verfügt, die zwar nicht im Rahmen von Benchmarks bewertet werden, aber aus den in Forschungsarbeiten veröffentlichten wissenschaftlichen Ergebnissen ersichtlich sind.
Leistungsanforderungen treiben Energieeffizienz voran
Supercomputer und HPC sind mit steigenden Energiekosten konfrontiert, insbesondere da die Nachfrage nach Ressourcen für KI, maschinelles Lernen und Hochleistungsdatenanalyse (engl. High-Performance Data Analytics, HPDA) zunimmt.
Neue Zentraleinheiten (engl. Central Processing Units, CPUs) und Grafikprozessoren verbrauchen mehr Strom als ältere Modelle.
Die Sorge um die CO2-Emissionen und staatliche Vorschriften treiben die Bemühungen um Energieeffizienz und Nachhaltigkeit weiter voran.
Die Green500-Liste, die parallel zum Top500 veröffentlicht wird, sortiert die leistungsfähigsten Supercomputer der Welt nach ihrer Energieeffizienz.
Die beiden effizientesten Supercomputer stehen in den USA, gefolgt von Systemen in Frankreich, Australien und Schweden. Supercomputer in Finnland und Deutschland tragen zu den Top 10 bei.
Die HPL-Leistung der Spitzensysteme zeigt, dass eine enorme Leistungsfähigkeit nicht auf Kosten einer effizienten Energienutzung gehen muss.
Der LUMI-Supercomputer in Finnland ist beispielsweise der schnellste in Europa und der drittschnellste weltweit mit einer Rmax von 309,10 PFLOP/s.
Das System, das seit Dezember 2022 voll einsatzfähig ist, belegt mit einer Effizienz von 51,382 GFLOPs pro Watt den siebten Platz auf der Green500-Liste.
LUMI wird ausschließlich mit CO2-freiem Strom aus Wasserkraft betrieben und nutzt natürliche Wasserkühlanlagen zur Entwärmung seiner Prozessoren.
Zudem wird die gesamte Abwärme, die er produziert, für die Fernwärmeversorgung in seiner Heimatstadt Kajaani wiederverwendet.
Der Supercomputer Leonardo in Italien ist der viertschnellste der Welt. Er steht auf Platz 15 der energieeffizientesten.
Alle sechs Supercomputer des European High-Performance Computing (EuroHPC) Joint Undertaking (JU) werden zur Verbesserung ihrer Energieeffizienz wassergekühlt und sollen so nachhaltig wie möglich arbeiten.
Der Supercomputer Frontier in den USA rangiert mit einem Wert von 52,59 GFLOPs/Watt an sechster Stelle der energieeffizientesten Rechner, obwohl sein HPL-Wert bei 1,194 EFLOP/s liegt.
Fazit
Supercomputer spielen eine wichtige Rolle bei der Förderung von Wissenschaft, Technologie und Innovation bei verschiedenen Anwendungen in der Forschung, im akademischen Bereich, beim Militär sowie in der Industrie.
Die Anzahl der Supercomputer weltweit ist eine dynamische Zahl, die sich im Zuge des technologischen Fortschritts und der Einführung neuer Maschinen ändert.
Da sich die Technologie mit der steigenden Nachfrage nach Cloud-Computing-Kapazitäten und künstlicher Intelligenz weiterentwickelt, wird die Zahl der Supercomputer voraussichtlich wachsen und die Grenzen dessen, was in der Computerwissenschaft und -technik möglich ist, erweitern.
