„Eine optimale Umgebung für Container finden“

Hochleistungsrechnen ist ohne Container bald kaum mehr denkbar. Die digitalen Boxen enthalten alle Werkzeuge, um einen wissenschaftlichen Code auszuführen, bringen aber nicht auf allen Computersystemen die gleiche Leistung. Am Leibniz-Rechenzentrum werden die Gründe erforscht und bewertet.

Wissenschaftliche Codes auf mehreren Supercomputern auszuführen – das ist eine Herausforderung. Hoch- und Höchstleistungsrechner sind Einzelanfertigungen, unterscheiden sich von ihren Artgenossen technisch in vielen Details und harmonisieren daher nicht mit jedem Programm. Container allerdings können Brücken zwischen Systemen schlagen: Sie sollen die Portabilität von Applikationen auf Hochleistungsrechnern verbessern. Dazu wird Hardware wie etwa Prozessoren auf Container-Plattformen virtualisiert, außerdem finden sich in den digitalen Boxen alle Werkzeuge, die zur Ausführung eines Codes notwendig sind, beispielsweise benötigte Kernel, Software-Bibliotheken, außerdem die Applikation selbst. Doch auch die Container-Strategie zeigt Leistungsgrenzen: „Die Anzahl an heterogenen Computerarchitekturen wächst und stellt uns bei der Vielfalt der Anforderungen sowie der Anwendungen manchmal vor die Frage, auf welchem System eine Applikation am besten ausgeführt werden sollte“, sagt Maximilian Höb, Informatiker am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ). „Daher können auch Container nicht auf jedem Hochleistungsrechner die gleichen Leistungen erbringen.“ Höb ergründet in seiner Doktorarbeit die Unterschiede, er erforscht Containertechnologien und hat ein Modell zur Bewertung ihrer Leistungsdaten unter verschiedenen Aspekten entwickelt. Seine Arbeit wurde gerade während der Supercomputing Asia 2024 (SCA24) in Sydney ausgezeichnet.

Herzlichen Glückwunsch zum Doctoral Thesis Award bei der Supercomputing Asia: Was hast Du dort vorgestellt? Maximilian Höb: Innerhalb einer Session habe ich einen Pitch meiner Doktorarbeit vorgestellt. In drei Minuten Vortrag versuchte ich darzustellen, was meine Arbeit behandelt. Darin geht es um die Analyse von Leistungsdaten bei containerisierten Anwendungen im Höchstleistungsrechnen oder HPC.

Was bedeutet dir der Preis? Höb: Erstmal natürlich eine große Ehre. Er bestätigt die Wichtigkeit des Themas meiner Arbeit und erkennt auch meine Arbeirt an – mir ist es gelungen, für dieses weite Thema einen roten Faden zu finden und es in aller Kürze abzuhandeln.

Warum beschäftigst du dich mit der Containerisierung in einem Rechenzentrum?  Höb: Ein Projekt der Ludwig-Maximilians-Universität München brachte mich in die Welt der Container. Je länger ich mich damit beschäftigt habe, umso klarer wurde mir, dass Anwender:innen gerade im Bereich Hochleistungsrechnen Container für ihre eigenen Codes einsetzen werden. Die letzten Jahre zeigen, dass Containerisierung tatsächlich zum Trend wurde, dass es dafür immer mehr Technologien gibt und das Interesse daran schnell wächst.

Wie forschst du für deine Doktorarbeit und was steht dabei im Mittelpunkt? Höb: Bei jeder Doktorarbeit steht naturgemäß die Theorie im Vordergrund. Daher arbeite ich an einem Modell und einer Methode, dieses zu evaluieren. Das heißt, ich bestimme und vergleiche unterschiedlichste Leistungsmerkmale. Diese helfen wiederum, Container auf dem System auszuführen, für das sie am besten geeignet sind. Die Anzahl an heterogenen Computerarchitekturen wächst und stellt uns bei der Vielfalt der Anforderungen sowie der Anwendungen manchmal vor die Frage, auf welchem System eine Applikation am besten ausgeführt werden sollte, aber auch, ob die zur Verfügung gestellten Ressourcen tatsächlich benötigt werden oder die Nutzung optimiert werden kann. Daher können auch Container nicht auf jedem Hochleistungsrechner die gleichen Leistungen erbringen.

Können Container auch helfen, den Energiebedarf eines Rechenzentrums oder von Supercomputern zu senken? Wie?  Höb: Wir sollten eine optimale Umgebung für Container finden. Den Begriff „optimal“ kann man dabei vielfältig definieren – beispielsweise als kurze Laufzeit oder auch als effiziente, stromsparende Ausführung. So kann man beispielsweise sehen, dass manche Container die Rechenleistung, also alle CPU oder Compute Processing Units, nicht optimal nutzen, wenn etwa vor allem Daten gelesen und geschrieben werden. Solche Container würden dann auf einem passenderen System ausgeführt um die Ressourcennutzung zu optimieren. Was optimal ist, bestimmen die, die ein System betreiben und dafür Ziele definieren. Bei meinem Ansatz werden wichtige Parameter vergleichbar modelliert, folglich bieten sich anschließend viele Möglichkeiten der Optimierung.

Wie geht es weiter mit der Doktorarbeit?  Höb: Ich möchte sie in den nächsten Monaten die Arbeit einreichen, muss dafür das Modell und seine Auswertung noch überarbeiten, außerdem die Parameter breiter evaluieren. Bei meiner Doktorarbeit geht es zunächst nicht darum, ein Produktivsystem zu entwickeln, sondern das theoretische Modell dafür aufzustellen und dieses durch einen Proof of Concept zu bestätigen. (Interview: vs/LRZ)

M. Höb (2., von links) bei der Preisverleihung mit Prof. Dieter Kranzlmüller (li), Leiter des LRZ,
sowie Prof. Ute Roessner und Prof. Sean Smith, beide von der Australian National University