Hochleistungsrechnen

Zusammenfassung

Viele Computersimulationen, für die man früher Supercomputer benötigte, lassen sich heutzutage auf Arbeitsplatzrechnern durchführen. Andererseits lassen sich heute aufgrund der verbesserten Ressourcen und numerischen Methoden Probleme bewältigen, die man früher nicht lösen konnte. Auch in der Ausbildung stehen inzwischen Ressourcen zur Verfügung, um umfangreiche Computersimulationen zu ermöglichen. Beim Hochleistungsrechnen (high performance computing) geht es darum, die verfügbaren Rechenressourcen optimal zu nutzen, um eine möglichst gute Rechenleistung zu erhalten. Das betrifft nicht nur die Optimierung der Software, sondern auch die Nutzung von speziellen Rechenclustern. Damit eine Simulation einen Rechner optimal nutzen kann, muss oft ein nicht unerheblicher Aufwand für Optimierung und parallele Programmierung in Kauf genommen werden. Dies lohnt sich natürlich nur bei aufwendigen Simulationen mit hohem Rechen- oder Speicherbedarf. Aber auch einfache Simulationen können von Rechenclustern profitieren, da so viele Simulationen mit verschiedenen Parametern gleichzeitig durchgespielt werden können. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über Methoden des Hochleistungsrechnens, Parallele Programmierung und die Nutzung von HPC-Clustern.

Aufgaben

7.1

Finden Sie heraus, wie viele Kerne und welche Vektoreinheiten die CPU Ihres Rechners hat. Das Kommando cat /proc/cpuinfo zeigt diese an. Was versteht man unter Hyperthreading?

7.2

Probieren Sie das „Hallo Welt!“-Programm für OpenMP  und MPI  aus. Variieren Sie die Anzahl der verwendeten Rechenkerne und lassen Sie die Programme mehrfach laufen. Was fällt Ihnen auf?

7.3

Leiten Sie das Amdahl’sche Gesetz  (7.1) her. Überlegen Sie sich dazu, wie die parallele Laufzeit mit N skaliert und berechnen Sie damit den Speedup  als Verhältnis zwischen serieller und paralleler Laufzeit. Geben Sie den maximalen Speedup (Sättigungswert) abhängig von p an.

7.4

Was ist die maximal sinnvolle Anzahl N an Rechenkernen für eine Simulation mit einem Parallelanteil von $p=90$ %, wenn man mit 90 % des maximalen Speedup zufrieden ist?