Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Hochleistungsrechner mit FPGAs und GPUs

Eine Besonderheit des neuen Computers sind die eingebauten FPGAs. Da sie auf eine spezielle Aufgabe programmiert werden können, arbeiten sie im Vergleich zu herkömmlichen Rechnern bedeutend schneller.
Eine Besonderheit des neuen Computers sind die eingebauten FPGAs. Da sie auf eine spezielle Aufgabe programmiert werden können, arbeiten sie im Vergleich zu herkömmlichen Rechnern bedeutend schneller.

Der neue Hochleistungsrechner des Exzellenzclusters Entzündungsforschung, der speziell für Rechenoperationen in der Bioinformatik entwickelt wurde, löst rechenintensive Aufgaben bis zu 4000mal schneller als herkömmliche Computer und senkt den Stromverbrauch um bis zu 99 Prozent.

Seit die Sequenzierung des menschlichen Genoms dank neuer Technologien einfach und bezahlbar geworden ist, werden weltweit für wissenschaftliche Studien massenhaft DNA-Proben von Patientinnen und Patienten gescannt und mit denen von gesunden Kontrollpersonen verglichen. Ziel ist es, Auffälligkeiten zu finden, die mit der jeweiligen Erkrankung in Zusammenhang stehen. Zunächst einmal produzieren diese Techniken jedoch Unmengen von Daten. Diese zu analysieren braucht Knowhow, Zeit und ausreichend Rechnerkapazitäten. »Manche Aufgaben sind jedoch mit herkömmlichen Rechnerarchitekturen praktisch kaum noch zu bewältigen und bedürfen eines leistungsfähigen Rechenzentrums«, sagt der Informatiker Dr. Jan Christian Kässens vom Institut für Klinische Molekularbiologie (IKMB) der Uni Kiel. Mit dem Ziel, die Datenverarbeitung effizienter zu machen, haben Kässens und seine Kollegen Dr. Lars Wienbrandt und Prof. David Ellinghaus vom IKMB mit der Arbeitsgruppe Technische Informatik am Institut für Informatik der Uni Kiel zusammengearbeitet. Gemeinsam konstruierten sie einen Rechner mit spezieller Computerarchitektur, die zum Beispiel bei der Suche nach Gen-Gen-Interaktionen genauso schnell ist wie ein ganzes Hochleistungsrechencluster. Gleichzeitig benötigt der neue Rechner in der Größe eines normalen PCs sehr viel weniger Energie.

Technische Grundlage für die neue Rechnerarchitektur ist die Kombination von FPGAs und GPUs. Seit 2013 verfolgen die Kieler Rechnerkonstrukteure die Idee zum neuen Hochleistungsrechner. Ende Dezember 2017 wurde die aktuelle, dritte Version fertiggestellt, die seitdem Aufgaben der Bioinformatik berechnet. Und das tut sie ziemlich gut, wie Kässens betont. Eingesetzt wird der Hochleistungscomputer zum Beispiel bei der Suche nach besonderen genetischen Konstellationen. So gibt es Hinweise, dass die chronisch entzündliche Hautkrankheit Schuppenflechte häufiger auftritt, wenn eine Kombination von zwei oder drei bestimmten Genvarianten vorliegt. Dreier-Kombinationen in Datensätzen von 45.000 Personen und jeweils 5.700 Genorten zu identifizieren, gelang der Kieler Neuentwicklung in Rekordzeit. »Ein herkömmlicher Computer benötigt hierfür etwa 6,5 Jahre, unser Rechner schafft das Gleiche in 2,5 Tagen«, sagt Kässens stolz. »Mir sind zwar einige wenige Ansätze von solchen Computern bekannt, jedoch keiner, der diese Leistung erbringen kann.« Dabei spart die Maschine enorm viel Strom ein. So verbrauchte das neue Gerät nur 60 kWh für die o.g. Berechnung statt der 40.000 kWh bei herkömmlichen Geräten. Bei einem Strompreis von 30 Cent/kWh sind das Stromkosten von 18 Euro gegenüber 12.000 Euro.

Jetzt arbeitet das Kieler Team daran, das System als Dienstleistung externen Fachleuten insbesondere dem Deutschen Netzwerk für Bioinformatik Infrastruktur (de.NBI) und der entsprechenden Europäischen Organisation ELIXIR zur Verfügung zu stellen. Dafür wird eine Schnittstelle im Internet eingerichtet. Die benutzerfreundliche Bedienoberfläche hierfür stammt aus der bereits bewährten Cluster-Kooperation mit Professor Frank Jacob und seinem Team von der Muthesius Kunsthochschule Kiel.

Bild: Eine Besonderheit des neuen Computers sind die eingebauten FPGAs. Da sie auf eine spezielle Aufgabe programmiert werden können, arbeiten sie im Vergleich zu herkömmlichen Rechnern bedeutend schneller.