Volume 55, Issue 3 -

The future of HPC is simple to predict: we will have faster and more capable systems in the future. That is because the need for more is so strong that such systems will be created. A key development in HPC has been this great growth in demand from many sectors. That development, it turns out, supplies the demand but also asks for more accessible and efficient solutions. The exact hardware and software that will win is more difficult to predict, but trends are examined that reveal a lot about the future. Zusammenfassung Es ist einfach, die Zukunft des Hochleistungsrechnens vorauszusagen: Wir werden schnellere und leistungsfähigere System haben — schlicht und ergreifend weil der Bedarf so groß ist, dass man solche Systeme schaffen wird. Dieser stetig steigende Bedarf an Rechenleistung in ganz verschiedenen Wissenschaftsfeldern ist dabei ein wesentlicher Treiber des Hochleistungsrechnens Neben immer mehr Rechenleistung ist aber auch die effiziente Ausnutzung selbiger entscheidend. Es ist schwer vorherzusagen, welche genaue Hardware und Software sich am Ende durchsetzt, es ist aber bereits heute möglich Trends zu untersuchen, welche viel über Hochleistungsrechensysteme von morgen aussagen.

Typical applications in Computational Science and Engineering (CSE) try to extract information based on a model out of given data, for example to understand physical effects based on numerical simulations. The involved numerical algorithms tend to be complex and their understanding and design require deep mathematical knowledge. Moreover, for physically meaningful results, high accuracy and large-scale problems have to be solved. Writing software for such applications in CSE is a difficult task, since the complex models have to be implemented efficiently on large High Performance Computing (HPC) systems. Therefore, parallel algorithms have to be developed that fit to the underlying parallel hardware, and tools are necessary to analyze and tune the code. In this article we first summarize the demands on CSE software design in general and then present the multi-physics software framework waLBerla as an example for efficient, portable, and productive CSE software. Zusammenfassung Typische Anwendungen im Bereich Computational Science and Engineering (CSE) versuchen Informationen aus vorhandenen Daten mittels eines Modells zu extrahieren, beispielsweise um basierend auf numerischen Simulationen physikalische Effekte zu verstehen. Die dabei eingesetzten numerischen Algorithmen sind sehr komplex und es erfordert tiefes mathematisches Wissen, um sie zu verstehen und zu entwickeln. Zudem müssen sehr große Probleme sehr akkurat gelöst werden, um physikalisch sinnvolle Ergebnisse zu erzielen. Software für solche Anwendungen zu entwickeln ist daher sehr schwierig, da die komplexen Modelle effizient auf Höchstleistungsrechnern implementiert werden müssen. Parallele Algorithmen sind notwendig, die auf die aktuelle hoch-parallele Hardware angepasst sind und Werkzeuge werden gebraucht um den Code zu analysieren und zu optimieren. In diesem Artikel werden wir zuerst die Anforderungen an die CSE Softwareentwicklung im Allgemeinen zusammenfassen und danach das Multi-Physik Softwarepaket waLBerla als ein Beispiel für die Umsetzung von effizienter, portabler und produktiver Software im Bereich CSE anführen.

The present level of development of molecular force field methods is assessed from the point of view of simulation-based engineering, outlining the immediate perspective for further development and highlighting the newly emerging discipline of “Computational Molecular Engineering (CME)” which makes basic research in soft matter physics fruitful for industrial applications. Within the coming decade, major breakthroughs can be reached if a research focus is placed on processes at interfaces, combining aspects where an increase in the accessible length and time scales due to massively parallel high-performance computing will lead to particularly significant improvements. Zusammenfassung Der aktuelle Entwicklungsstand molekularer Kraftfeldmethoden wird vom Standpunkt des simulationsgestützten Ingenieurwesens beurteilt, indem Perspektiven für die unmittelbare Zukunft herausgearbeitet werden. Dabei ist insbesondere die neu entstehende Disziplin des “Computational Molecular Engineering” (CME) zu beachten, die Ergebnisse aus der physikalischen Grundlagenforschung für die industrielle Anwendung nutzbar macht. Im kommenden Jahrzehnt sind hier größere Durchbrüche zu erwarten, wenn in der Forschung ein Schwerpunkt auf Prozesse an Grenzflächen gesetzt wird. Die Kombination aus den größeren Längen- und Zeitskalen, die durch massiv-paralleles Höchstleistungsrechnen erschlossen werden, wird auf diesem Gebiet zu besonders maßgeblichen Fortschritten führen.

The beginnings of high-performance applications in motor vehicle development date back some 25 years. Today, virtual development has become a permanent feature of the vehicle development process. Applications with high computation time requirements, such as aerodynamics, crash safety or the combustion process require the use of high performance computers. Increasing requirements placed on motor vehicles, especially with regard to safety, lightweight construction and emissions, taking into account economic, market and competitive factors, have resulted in the increasing use of HPC applications. Currently, it can be observed that HPC requirements are doubling every 14 to 16 months. In addition to conventional structural mechanics, growth drivers here include new material and joining technologies, fluid dynamics applications, as well as robustness evaluations, optimisation processes and multi-disciplinary simulations. Zusammenfassung Die Anfänge von High Performance Anwendungen in der Automobilentwicklung liegen ca. 25 Jahre zurück. In der Zwischenzeit ist die virtuelle Entwicklung fester Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses. Anwendungen mit hohem Rechenzeitbedarf, wie z. B. Aerodynamik, Crash oder Brennverfahren erfordern den Einsatz von High Performance Computern. Steigende Anforderungen an das Automobil v. a. hinsichtlich Sicherheit, Leichtbau und Emissionen führen unter Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeit, Märkten und Wettbewerb zum verstärkten Einsatz von HPC-Anwendungen. Aktuell ist zu beobachten, dass es alle 14 bis 16 Monate zu einer Verdoppelung des HPC-Bedarfs kommt. Treiber des Wachstums sind neben der klassischen Strukturmechanik mit neuen Material- und Fügetechnologien Anwendungen auf dem Gebiet der Strömungsmechanik sowie Robustheitsuntersuchungen, Optimierungsverfahren und multidisziplinäre Simulationen.

The overall scientific challenge for most areas of science is to master the presence of massive parallelism and, with its help, to allow high-end applications to benefit from the high-performance computing (HPC) technology available today. Many key issues need to be addressed, ranging from parallel programming paradigms, via dynamic load distribution, to energy-awareness, and scalability of algorithms and applications, to name just a few. This paper gives an overview of the HPC landscape in Germany. With the Gauss Centre for Supercomputing (GCS) and the Gauss Alliance (GA), the structure of the German HPC centres offers users from all scientific areas access to HPC resources at all potentially required levels of performance. However, the significant contribution of these centres — beyond providing the hardware infrastructure — is to push software technology on all required key issues mentioned above, to make the access to HPC hardware resources efficient. In spite of the reasonable hardware funding of the GCS and GA HPC centres, the critical issue of finding the right “brains” to program the “racks” still continues to remain open. Zusammenfassung Die wichtigste Herausforderung des Hoch- und Höchstleistungsrechnens ist der effektive Umgang mit massiver Parallelität in heutigen und zukünftigen HPC-Systemen. Auf Basis dieser Kernkompetenz können Anwendungswissenschaften von den enormen Möglichkeiten profitieren, die aktuelle HPC-Systeme für die Bewältigung wichtiger Forschungsaufgaben bieten. Viele Kernthemen müssen dafür adressiert werden — von parallelen Programmierparadigmen über dynamische Lastbalancierung und Energieeffizienz bis hin zu skalierbaren Algorithmen und Anwendungen, um nur einige zu nennen. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die HPC-Landschaft in Deutschland. Mit dem Gauss Centre for Supercomputing (GCS) e. V. und der Gauß-Allianz (GA) e. V. wird die deutsche HPC-Landschaft in einer Weise strukturiert, die Nutzern aus allen Wissenschaftsbereichen Zugang zu HPC-Ressourcen aller potentiell benötigten Leistungsklassen ermöglicht. Allerdings ist der wichtigste Beitrag dieser Zentren — über die Bereitstellung der Hardware hinaus — die Weiterentwicklung der Software in allen oben genannten Kernthemen, um den Zugriff auf das HPC effizient zu machen. Trotz der substantiellen Finanzierung für Hardware in den HPC-Zentren wurde die wichtige Frage zur Bereitstellung der qualifizierten Köpfe — die für den Umgang mit Ressourcen der höchsten Leistungsklasse zwingend erforderlich sind — bislang nicht in ausreichendem Maße adressiert.

High performance computing boasts a steadily increasing number of adherents, for excellent reasons, traditional and innovative. However, the promises for which scientists and engineers have been drawn to the extreme of the spectrum are more elusive than the simple extrapolation of decades of exponential improvement suggests. Programming today´s systems for high performance is already problematic for many scientists and the learning curve will inexorably steepen. Expectations should be brought in line with the increasing difficulty of pushing the high performance frontier, and, for once, the modeling, algorithms, and software advances required to use the emerging hardware effectively should not be left until the hardware begins to arrive. Zusammenfassung Das Hochleistungsrechnen rühmt sich einer — aus klassischen oder ganz neuen, aber immer aus sehr guten Gründen — stetig wachsenden Anhängerschaft. Allerdings sind die Verheißungen, die Wissenschaftler zum oberen Ende des Leistungspektrums gelockt haben, schwerer fassbar als die einfache Extrapolation des exponentiellen Wachstums an Rechenleistung, welche wir seit Jahrzehnten sehen, vorgaukelt. Bereits heute ist es für viele Wissenschaftler schwierig, Supercomputer voll auszureizen, und die Lernkurve wird in Zukunft unerbittlich flacher werden. Daher müssen die Erwartungen an Hochleistungsrechensysteme ins Verhältnis zum Aufwand gesetzt werden, der nötig ist, um deren Leistung bestmöglich auszunutzen. Hierbei darf man mit Fortschritten bei Modellierung, Algorithmen und Software, die zur effektiven Nutzung neuer Hardware notwendig sind, nicht bis zur flächendeckenden Verfügbarkeit dieser Hardware warten.

Today, digital recording of live lectures is a common practice at many universities. This article provides an historical overview of this idea, from the first approaches starting 40 years ago to present-day systems and questions still subject of research. Zusammenfassung Die digitale Aufzeichnung von Vorlesungen ist heute an Hochschulen Alltag. Der Beitrag beschreibt die 40-jährige Entwicklung dieser Idee von den ersten Ansätzen bis zu aktuellen Produkten und heute noch offenen Fragen.

Wireless embedded devices are employed for access control, identification, and payments. Cryptographic mechanisms serve as a protection against ill-intended usage or unauthorizedly accessing secured data. By security-analyzing commercial products, e. g., electronic passports, the remote keyless entry system KeeLoq, a Mifare Classic based contactless payment system, and Mifare DESfire cards, various security vulnerabilities are revealed. At hand of real-world attacks, the implications of a key extraction for the data protection and security of the respective contactless applications are illustrated. Zusammenfassung Funktechnologie kennzeichnet Produkte, dient zur Identifikation (z. B. elektronischer Reisepass), funktioniert als elektronische Geldbörse und öffnet Türen. Über die drahtlose Schnittstelle werden sensible Daten ausgetauscht, die per Lauschangriff ausgespäht oder unbemerkt aus der Entfernung modifiziert werden könnten. Verschlüsselungsverfahren sollen Manipulationen, Identitätsdiebstahl oder unbefugtes Eindringen verhindern. Der kryptografische Schutz vieler kommerzieller Produkte stellt sich jedoch häufig als unzureichend heraus und kann durch moderne Angriffsmethoden ausgehebelt werden — oft mit dramatischen Folgen für den Datenschutz und die Sicherheit des Gesamtsystems.