Spitzenforschung an der Universität Bonn

Mathematiker bringen schnellsten Computer der Welt auf Touren

Freuen sich über den Erfolg des IBM-Chips Isabel, der mit der Algorithmen-Sammlung BonnTools berechnet wurde: Institutsleiter Professor Dr. Bernhard Korte (Mitte) mit den Professoren Stefan Hougardy, Jens Vygen, Stephan Held und Ina Prinz mit einem Siliziumwafer, aus dem die Chips hergestellt werden.

Freuen sich über den Erfolg des IBM-Chips Isabel, der mit der Algorithmen-Sammlung BonnTools berechnet wurde: Institutsleiter Professor Dr. Bernhard Korte (Mitte) mit den Professoren Stefan Hougardy, Jens Vygen, Stephan Held und Ina Prinz mit einem Siliziumwafer, aus dem die Chips hergestellt werden.

Bonn. Bonner Mathematiker um Professor Bernhard Korte haben den IBM-Chip mit dem Codenamen Isabel konstruiert. Dieser Chip treibt den im Juni in Betrieb gegangenen Superrechner Summit im US-amerikanischen Oak Ridge an.

Wer kosmische Dimensionen wie beispielsweise Strukturen und Abhängigkeiten von Himmelskörpern im Weltall berechnen möchte, der muss zunächst Rechenleistung in allerkleinsten Einheiten konstruieren. In dieser Hinsicht ist Bonner Mathematikern um Professor Bernhard Korte am Universitäts-Institut für Diskrete Mathematik wieder ein Meilenstein gelungen. Der von ihnen ausgelegte IBM-Chip mit dem Codenamen Isabel – zu Ehren der nordrhein-westfälischen Wissenschaftsministerin Isabel Pfeiffer-Poensgen – treibt den im Juni in Betrieb gegangenen Superrechner Summit im US-amerikanischen Oak Ridge zu einer theoretischen Rechenleistung von rund 187 Billiarden Rechenvorgängen pro Sekunde an.

Beim Benchmark-Test schaffte der Rechner tatsächlich 122 Billiarden Rechenvorgänge (122 Peta-flops). Das heißt: Er löst in einer Stunde Aufgaben, die ein handelsüblicher Desktop-PC fürs Büro oder für Zuhause in einem Vierteljahrhundert lösen würde, wenn das Heimgerät dann nicht längst beim Elektroschrott gelandet ist. Zum 25. Jubiläum der Top-500-Liste unter den weltweit arbeitenden Supercomputern hat Summit damit nach zwei Jahren den chinesischen Rechner Sunway vom Thron gestoßen, der immerhin 93 Petaflops Rechenleistung schafft.

Korte und sein 17-köpfiges Team – darunter vier Professoren – können im Chip-Design auf Jahrzehnte eigener Erfahrung zurückgreifen. Vor drei Jahrzehnten hatte ein IBM-Ingenieur dem Bonner Mathematiker auf einer Konferenz von seinen Konstruktionsproblemen erzählt. „Die können wir mit Mathematik viel besser lösen als Ingenieure mit heuristischem Ausprobieren“, sagte sich Korte und ist seither als gefragter Partner des IBM-Konsortiums für einen der beiden Chiphersteller weltweit engagiert. Der zweite auf dem Markt ist Intel.

Die Winzigkeit der Nano-Strukturen, in denen er und sein Team sich gedanklich bewegen, hat schwindelerregende Größen angenommen. Mit der aktuellen Chip-Generation haben sie die Strukturen von 14 auf sieben Nanometer reduziert. „Die Strukturen liegen jetzt noch drei oder sieben Atome auseinander“, erklärt der Mathematiker. Die nächste technische Entwicklung werden fünf Nanometer sein, „aber damit kommt man dem Limit schon ziemlich nahe“, so Korte. Wenn die Schaltungen in bis zu 20 Lagen übereinander in den aufgetragenen Lack auf den Chips geätzt werden, kommt die lithographische Technik damit inzwischen an ihre technischen Grenzen.

Mit Mathematik gelingt es den Experten aber immer wieder, noch winzige Reserven aus dem Chip-Design herauszuholen, indem etwa eine Lage mehrfach bedruckt wird. Das ist ein Segen für die Industrie: „Mit Mathematik kostet das nur etwas Nachdenken. Wenn man es technisch lösen wollte, müsste eine ganz neue Silicon-Fabrik her. Das kostet heute acht Milliarden Dollar.“

Dass den Bonnern international eigentlich niemand das Wasser reichen kann, liegt auch an den sogenannten BonnTools. Das sei eine Art Werkzeugschrank mit vielen Kästen von jeweils etwa 50 Werkzeugen, erklärt Korte. In diesem Fall sind es Algorithmen, die mit Methoden der diskreten Mathematik verschiedene Probleme der Chipgestaltung berechnen können. Beispielsweise muss der optimale Leitungsweg zwischen den einzelnen Transistoren berechnet werden, bei dem die Wege möglichst kurz sind, aber auch der Energie- und Zeitbedarf der unterschiedlich großen Schaltungen austariert ist. Die BonnTools werden in Designzentren weltweit genutzt – von den USA und Israel bis nach Japan und China. Mehr als 2000 Chips seien damit inzwischen bereits konstruiert worden, schätzt Korte. Trotzdem hat noch kein Unternehmen damit ähnliche Erfolge erzielt wie die Bonner Forscher selbst.

Korte hat aus den Einnahmen von IBM unter anderem die Erweiterung der Sammlung historischer Rechenmaschinen im Arithmeum finanziert. Die ursprüngliche Privatsammlung hat Korte der Universität Bonn und dem Land NRW geschenkt. Angebote aus der Industrie und aus anderen Hochschulen hatte er viele. Er lehnte ab und findet: „Was wir hier in Bonn haben ist sehr gut, exzellent, auch dank der Universität und des Landes NRW.“

An Ruhestand denkt der Professor, der eigentlich längst emeritiert wäre, noch lange nicht. Noch zehn bis 15 Jahre sieht er eine weitere Verkleinerung der Chip-Technologie voraus. „DNA- oder Quantencomputer sind interessante Denkansätze“, urteilt er. Derzeit gebe es aber keine Ausweichtechnologie mit vergleichbaren Leistungen und Dimensionen.

Um einen Supercomputer zu bestücken, ist ein Chip allein freilich nicht genug. 921 622 Isabels mit je acht Milliarden Transistoren arbeiten bei Summit mit 27 648 Tesla-V100 Grafikkarten in einer Industriehalle von 860 Quadratmetern Größe zusammen und verbrauchen genauso viel Strom wie 8100 Durchschnittshaushalte. Mit dieser geballten Kraft wollen Wissenschaftler nicht nur kosmischen Fragen auf den Grund gehen, sondern zum Beispiel auch die Eigenschaften neuartiger Materialien oder Medikamente berechnen. Der schnellste deutsche Rechner – Platzt 23 auf der Weltrangliste – steht übrigens im Supercomputing Centre des Forschungszentrums Jülich. Er schafft 6,18 Petaflops pro Sekunde.