Wachsende Datenmengen professionell auswerten

Lassen Sie sich bei einem kurzen Rundgang durchs Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) die Highlights aus dem Jahr 2023 erzählen: der Start von SuperMUC-NG Phase 2, von terrabyte und den ersten Quantencomputern, wie Künstliche Intelligenz die Forschung bereichert, der Aufbau der LRZ CAVE komplett aus Leuchtdioden und warum LRZ-Services zuverlässig und sicher sind.

Am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) gibt’s viel zu entdecken: Davon überzeugten sich im Herbst 2023 rund 700 kleine und große Menschen. Zum nationalen Tag der WDR-Maus im Oktober öffnete das LRZ, ein Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW), erstmals seit der Pandemie wieder seine Türen. Und wie die Familien hatten rund 40 LRZ-Mitarbeitende sehr viel Spaß dabei zu präsentieren, wie das LRZ Münchner Hochschulen sowie bayerische Forschungsinstitute zuverlässig mit IT-Dienstleistungen, leistungsfähigen Rechnern und praktischen Datenspeichern versorgt und warum es in seinem Testsystem BEAST Computertechnologien grundlegend erforscht. Als eines von drei Supercomputing-Zentren in Deutschland bietet das LRZ Wissenschaftler:innen Zugriff auf innovative Hoch- und Höchstleistungsrechner, Systeme zur Datenanalyse mit Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) sowie erste Quantenrechner. Hier können Forschende zudem Studienergebnisse visualisieren und in virtuelle Welten transformieren: Zeit wird’s für eine Expedition durchs LRZ.

KI erweitert das Methoden-Set der Forschung

Diese führt zuerst in den Doppelwürfel des LRZ: Dort wurden hochmoderne Systeme aufgebaut. terrabyte heißt etwa die Hochleistungsplattform für die Auswertung von Satellitenaufnahmen. Sie entstand in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), macht durch schnelle Datenleitungen dessen Archiv in Oberpfaffenhofen für die Forschung zugänglich, unterstützt mit Hilfe von KI-Tools die Analyse von Erderkundungsdaten sowie deren Verarbeitung an den Supercomputern des LRZ – etwa für Simulationen zu Klima und Umwelt. An terrabyte aktualisiert das DLR die Datensätze des World Settlement Footprints (WSF) zur Entwicklung von Megastädten. Das Bayerische Forschungsinstitut für Digitale Transformation (bidt) lässt daran ein Geoportal entwickeln. Projekt ROOT spürt in Satellitendaten dem Zustand heimischer Wälder nach und bereitet dieses Wissen für Wirtschaft, Behörden und Öffentlichkeit auf.

Eine Etage darüber hat das LRZ-Flaggschiff, der SuperMUC-NG, Zuwachs bekommen: Zur Halbzeit seiner Laufzeit ergänzen die schwarzen Schränke von Phase 2 (SNG-2) das System. SNG-2 integriert Graphics Processing Units (GPU), die das High-Performance Computing (HPC) beschleunigen, für mehr (Energie)Effizienz sorgen und sich für KI-Methoden eignen. So können klassische Simulationen nun mit statistischen Modellen kombiniert werden – mit Erkenntnisgewinn ist zu rechnen. Erste Szenarien werden bereits erprobt, verlangen aber nach optimierten Workflows und Algorithmen: Diese werden die LRZ-Spezialist:innen mit Wissenschaftler:innen an SNG-2 entwickeln. Nebenbei tüfteln sie am Nachfolgesystem von SuperMUC-NG, und dabei wächst die Gewissheit, dass das LRZ Platz für neue Technik zur Energieversorgung und Kühlung benötigt. Unter Hochdruck wird daher auch an Bauplänen zur Erweiterung des LRZ gearbeitet.

Quantencomputing für Deutschland und Europa

Wie GPU könnten Quantentechnologien das Supercomputing beschleunigen und die Forschung um Rechenmethoden erweitern. Das Quantum Integration Centre (QIC) im Keller des LRZ erlaubt schon heute den Blick in diese Zukunft: Dort wird mit Quantenprozessoren (QPU) experimentiert und werden diese in HPC-Systeme integriert. In Kooperation mit Partnerinstituten aus dem Munich Quantum Valley (MQV) wurde ein erster analog-digitaler Quantencomputer für Forschungszwecke konstruiert. Von diesen Erfahrungen will die Initiative EuroHPC Joint Undertaking profitieren. Sie siedelt eines von sechs europäischen Quantensystemen am LRZ an und investiert mit Bund und Freistaat Bayern rund 43 Millionen Euro in die Anschaffung der Systeme. Diese werden nach dem Vorbild des Quantendemonstrators Q-Exa zunächst mit den Supercomputern des LRZ verbunden, damit Forschende aus ganz Europa bald schon die Zukunftstechnologie nutzen. Danach werden die Kapazitäten schrittweise auf mindestens 100 Qubits ausgebaut.

Schon erschließen sie im QIC die nächsten Forschungsfelder: Neben die eleganten Kryostaten, die Quantenprozessoren auf Basis von Supraleitern kühlen, hat sich ein neues System auf Basis einer Ionenfalle von Alpine Quantum Technologies (AQT) gesellt. Diese fängt elektrisch geladene Atome und Moleküle, um sie als Qubits für Berechnungen zu aktivieren. Die Partnerinstitute des MQV nutzen das System für Forschungszwecke, und in diesen Experimenten wird sich zeigen, welche Vorteile diese Quantentechnologien entfalten und welche Einsatzszenarien in der Wissenschaft denkbar sind.

Forschungsergebnisse als großes Kino

Beliebt bei Jung und Alt ist das Zentrum für Virtuelle Realität und Visualisierung (V2C) im LRZ. Hier wird Forschung in brillanten, teils räumlichen Abbildungen anschaulich und zum großen Kino. 2023 wurde die LRZ-CAVE erneuert. Der offene, fünfseitige Würfel zum Agieren in Virtueller Realität (VR) besteht als erster seiner Art komplett aus Leuchtdioden (Light Emitting Diodes /LED). 1620 LED-Panels auf 225 Rahmen oder Cabinets verbessern Auflösung und Bildqualität. Sie ermöglichen stereoskopische Darstellungen mit bis zu 60 Bildern pro Sekunde für jedes Auge. Kombiniert mit einem optischen Tracking-System der neuesten Generation entsteht in der LRZ-CAVE ein homogener räumlicher Eindruck mit äußerst scharfen Bildern. Bewegungen sowie das Zoomen auf Details funktionieren nahtlos: Das Abtauchen in Simulationen aus Umwelt-, Lebens- und Naturwissenschaften wird ebenso wie die Erkundung digitalisierter, (kunst)historischer Räume zum optischen Ausflug, der oft Zusammenhänge in neuem Licht erscheinen lässt. Für die LED-CAVE hat das V2C-Team den Himmelsglobus aus dem bayerischen Kunstschatz Bavarikon sowie die Villa des Tempelvorstehers Sîn-Nādā und seiner Frau Nuṭṭuptum aus dem 2. Jahrtausend vor Christus in die VR gebracht.

Zuverlässige Dienste, sichere Daten

Computer und Netze, Datenspeicher und IT-Services müssen zuverlässig funktionieren. Das ist das wichtigste Gebot am LRZ. Dafür lässt das Rechenzentrum seine Prozesse von externen Inspektor:innen überprüfen. In Kooperation mit bayerischen Universitäten beschäftigt sich das LRZ außerdem mit Maßnahmen zur IT- und Cybersicherheit. Damit Wissenschaftler:innen sicher gehen können, dass sie jederzeit über das Münchner Wissenschaftsnetz auf Daten und die Services des LRZ zugreifen können, spielen sie dort mögliche Ernstfälle durch oder ziehen testweise sogar brutal die Stecker. So beweisen sie sich selbst und den Prüfer:innen, dass die Doppelstrategie der IT greift und ein sicher laufendes Gerät die Arbeit eines ausgefallenen sofort übernimmt. Das überzeugt: 2023 wurden die Abläufe des LRZ erneut als vertrauenswürdig und sicher zertifiziert. Im Digitalverbund Bayern kooperiert das LRZ zudem mit Hochschulen im Freistaat, um nützliche IT-Dienste oder Plattformen auszubreiten, vor allem um gemeinsam bessere Strategien zu entwickeln. So sorgt das Hochschulübergreifende IT-Servicezentrum für Informationssicherheit (HIT-IS) durch gemeinsame Kontrolle für besseren Schutz von akademischen IT-Systemen.

Weitere Initiativen zur Optimierung und Erkundung neuer Technologien, auch auf internationaler Ebene, sind in Vorbereitung, ebenso die Ansiedelung neuer Systeme. Es sieht ganz so aus, als gäbe es 2024 noch mehr zum Schauen und Staunen: #CU@LRZ und am 4. Mai 2024 beim Tag der offenen Tür der BAdW. (vs)