JUPITER, Europas erster Exascale-Supercomputer am deutschen Forschungszentrum Jülich, läuft mit NVIDIA Grace Hopper Superchips und NVIDIA Quantum-X800 InfiniBand-Networking – und hatte ein arbeitsreiches Jahr.
Während sich die internationale Supercomputing-Gemeinschaft diese Woche zur ISC in Hamburg versammelt, zeigen vier auf JUPITER laufende Projekte, was Exascale-Computing tatsächlich leisten kann: das menschliche Gehirn auf zellulärer Ebene kartieren, das gesamte Erdklima mit einer Auflösung von 1 Kilometer simulieren, KI-Systeme für die nächste Generation drahtloser Netze aufbauen und einen universellen 50-Qubit-Quantencomputer simulieren.
„Mit JUPITER tritt Europa nicht nur in die Exascale-Ära ein – es führt sie an, über das breiteste Spektrum an Wissenschaft und KI hinweg, das ein System weltweit abdeckt“, sagte Thomas Lippert, Direktor des Jülich Supercomputing Centre und Professor an der Goethe-Universität Frankfurt.
Die vier nachfolgend beschriebenen Projekte haben einen roten Faden gemeinsam: wissenschaftliche Probleme, die auf früherer Hardware unerreichbar waren, sind nun im Exascale-Bereich lösbar.
Ein Basismodell zur Kartierung des Gehirns
Das Projekt Jülich Brain Atlas – verankert am Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin gemeinsam mit dem Partner Helmholtz AI, einem Partnerkrankenhaus und weiteren Helmholtz-Einrichtungen – hat CytoNet hervorgebracht, ein Basismodell für die Analyse der Mikroarchitektur des Gehirns.
Die Komplexität des menschlichen Gehirns ist erstaunlich. Mit 86 Milliarden Neuronen und etwa 100 Billionen Verbindungen zwischen ihnen war das Verständnis der Gehirnfunktion auf Ebene einzelner Neuronen bisher unerreichbar.
Die Forschung wird von der Neurowissenschaftlerin Katrin Amunts und dem Informatiker Christian Schiffer am INM-1, dem Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin, geleitet. Das Modell lernt aus Bilddaten des Gehirns auf zellulärer Ebene und erstellt eine Karte, die einzelne Zellstrukturen mit umfassenderen Mustern der Gehirnorganisation und -funktion verknüpft.
Das Training lief auf JUPITER in weniger als fünf Tagen und nutzte 6,5 Petabyte an Daten von 21 post mortem entnommenen Gehirnen auf 4.096 NVIDIA Grace Hopper Superchips. Eine Arbeit, die das Projekt beschreibt, ist auf arXiv verfügbar.
„Zum ersten Mal nutzen wir KI nicht nur, um das Gehirn zu analysieren – wir bauen einen Agenten, der das Experiment selbst durchdenken kann“, sagte Katrin Amunts, Direktorin des INM-1 am Forschungszentrum Jülich und Professorin für Hirnforschung an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. „Das verändert, was Neurowissenschaft sein wird, und JUPITER ist das, was diesen Satz heute aussprechbar macht.“
Dieser Agent ist der nächste Schritt des Teams: der Aufbau eines KI-Agenten für Hirnforschende – der multimodales Schlussfolgern, Sprachschnittstellen und Frage-Antwort-Funktionen mithilfe offener Modelle integriert, darunter NVIDIA Nemotron 3 120B, auf dem Weg zu KI-Assistenten, die Wissenschaftlern helfen können, Gehirndaten direkt zu befragen.
Klima in Kilometer-Auflösung
Eine neuartige ICON-Konfiguration – entwickelt von Forschenden der ETH Zürich, des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ), des Jülich Supercomputing Centre (JSC), des Max-Planck-Instituts für Meteorologie, von NVIDIA, des Schweizerischen Nationalen Hochleistungsrechenzentrums (CSCS) und der Universität Hamburg – hat im vergangenen November auf der SC25 den Gordon-Bell-Preis für Klimamodellierung gewonnen.
Der Durchbruch liegt nicht allein in der Auflösung. ICON ist das erste Modell, das ein gekoppeltes Erdsystem mit einer Auflösung von 1 Kilometer simuliert – mit Ozean, Atmosphäre und Land, Biogeochemie und dem vollständigen Kohlenstoffkreislauf, wobei Kohlenstoff zwischen allen Komponenten ausgetauscht wird. Es kann vollständige Ökosysteme simulieren und visualisieren, etwa Phytoplanktonblüten und Fraß durch Zooplankton. Frühere Systeme konnten Teile davon modellieren; ICON führt alles zusammen aus. Dies ermöglicht eine weitaus präzisere und vollständigere Simulation der Erde – erstmals in dieser Detailtiefe beobachtbar.
Auf 20.480 NVIDIA Grace Hopper Superchips auf JUPITER simulierte das Modell rund 146 Tage tatsächliches Klima in 24 Stunden Rechenzeit und stellte damit einen Weltrekord in der globalen Klimasimulation auf. Das Engagement von NVIDIA in der ICON-Community erstreckt sich über mehr als ein Jahrzehnt.
„Unsere Simulationen lösen die feinskaligen Winde, Ozeanwirbel und die Durchmischung der oberen Ozeanschichten auf, die marine Ökosysteme prägen und die Aufnahme von Kohlenstoff durch den Ozean regulieren“, sagte Daniel Klocke, Leiter der Gruppe für Recheninfrastruktur und Modellentwicklung am Max-Planck-Institut für Meteorologie. „Bei einer globalen Auflösung von nur 1 Kilometer ergeben sich viele dieser Wechselwirkungen unmittelbar aus den Gesetzen der Physik, anstatt approximiert zu werden. Dies gibt uns einen beispiellosen Einblick, wie Atmosphäre, Ozean und Biosphäre zusammenwirken, und hilft uns, die Prozesse zu verstehen, die unser sich wandelndes Klima antreiben.“
Die 6G erhält einen Exascale-Partner
Im März kündigten Ericsson und das Forschungszentrum Jülich eine Zusammenarbeit an, um KI für die kontinuierliche Weiterentwicklung von 5G und für 6G-Netze zu entwickeln – mit JUPITER als Rechenmaschine für das groß angelegte Training und Testen von KI-Modellen.
Die Zusammenarbeit zielt auf vom Gehirn inspirierte Architekturen ab, die darauf ausgelegt sind, komplexe Netzwerkoperationen bei weitaus geringerem Energieaufwand zu bewältigen.
Zu den Forschungsschwerpunkten zählen KI-Modelle für die Funk- und Kernnetze von Ericsson, energieeffiziente KI-Inferenz am Funk-Edge mithilfe neuromorpher Ansätze sowie Konzepte für modulare Supercomputing-Architekturen, die aus der Exascale-Arbeit des JSC abgeleitet sind.
Quantenrekorde brechen
Forschende des Jülich Supercomputing Centre (JSC) erzielten in Zusammenarbeit mit dem gemeinsam betriebenen NVIDIA Application Lab ebenfalls eine Weltpremiere, indem sie einen universellen 50-Qubit-Quantencomputer vollständig simulierten und damit den bisherigen 48-Qubit-Rekord übertrafen.
Möglich wurde die Simulation durch die kohärente, eng gekoppelte CPU-GPU-Speicherarchitektur der NVIDIA GH200 Grace Hopper Superchips von JUPITER, die es Daten, die die GPU-Grenzen überschreiten, ermöglicht, nahtlos und mit minimalem Leistungsverlust in den CPU-Speicher überzulaufen – wodurch JUPITER einen weitaus größeren Quantenzustand halten kann als der GPU-Speicher allein, was die Simulation über den bisherigen 48-Qubit-Rekord hinaus brachte.
Vorerst ist diese Art der Simulation das leistungsstärkste Werkzeug der Quantenforschung: Die heutige Quantenhardware kann klassische Computer bei nützlichen Problemen noch nicht übertreffen, weshalb die Simulation von Quantenmaschinen im größtmöglichen Maßstab der Weg ist, auf dem Forschende die Algorithmen entwerfen und Belastungstests unterziehen, die künftige Hardware ausführen werden.
Dieser leistungsstarke Quantensimulator, JUQCS-50, wird innerhalb von JUNIQ zugänglich sein, der Nutzereinrichtung für Quantencomputer am JSC, geleitet von Kristel Michielsen, Direktorin des JSC und Professorin an der Universität zu Köln, um die Leistung von Quantenalgorithmus-Designs zu erkunden. JUQCS-50 macht aus Europas erstem Exascale-System einen leistungsstarken Prüfstand für die Quanten-GPU-Supercomputer von morgen.
Die Wirkung von Exascale
Das Spektrum der auf JUPITER laufenden Wissenschaft – von Neuronen über die Atmosphäre und die drahtlose Infrastruktur bis hin zur Quantenwelt – belegt, dass Exascale-Computing von einer Forschungskategorie in die produktive Anwendung übergegangen ist.
Die Ergebnisse sind ein Beleg für die Grace-Hopper-Plattform an der Grenze der Wissenschaft.
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