UNIKATE 50: Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften - High-Performance und Cloud Computing

Verehrte Leser*innen,

die Ihnen vorliegende Ausgabe der UNIKATE ist ein wahres Unikat – konzentrieren sich die meisten Ausgaben doch auf ein einziges Forschungsgebiet. Im vorliegenden Heft liegen Ihnen aber Aufsätze zu wichtigen Werkzeugen der Natur-, der Ingenieur- als auch der Wirtschaftswissenschaften vor – dem Hochleistungsrechnen und dem Cloud-Computing. Beiden ist gemein, dass Rechenressourcen bereitgestellt werden, deren Leistungsfähigkeit weit über dem liegt, was ein einzelner Nutzer jemals für sich selber rechtfertigen oder nutzen könnte. Ebenso wenig ist für den Nutzer direkt sichtbar, wo sich die Rechenkapazität befindet, wer sie betreibt und wie die Berechnung technisch realisiert wird.

Zwischen Cloud und Hochleistungscomputing gibt es aber auch wesentliche Unterschiede. Anwendungen in der Cloud erfordern oft eine große Speicherkapazität und viel Rechenleistung. Diese kann über eine große Zahl von Recheneinheiten verteilt sein, die nur selten Daten austauschen müssen. Häufig sind auch die über die Recheneinheiten verteilten Aufgaben stark unterschiedlich und die genutzten Prozessoren oft inhomogen. Beim Hochleistungsrechnen dagegen wird eine einzige Anwendung auf viele homogene Rechenressourcen verteilt, die sich aber permanent über die jeweiligen Rechenergebnisse austauschen müssen. Hochleistungsrechnen erfordert daher eine enge Kopplung der laufenden Prozesse, weshalb die verwendeten Prozessoren in räumlicher Nähe zueinander angeordnet und besonders effizient vernetzt sein müssen.

Historisch ist das Hochleistungsrechnen wohl die älteste Form des wissenschaftlichen Rechnens – zunächst zur Militärforschung (Berechnung von Geschossbahnen oder von Kernreaktionen), später zur Wettervorhersage, zur Simulation von Strukturen und deren Verformung (Fahrzeug-Crash-Simulationen), von Strömungen (Verringerung des Kraftstoffverbrauchs), von Stoff- und Materialeigenschaften sowie von chemischen Reaktionen. Dabei sind die physikalisch-mathematischen Probleme von einer Art, die sich nur durch schnelle Vernetzung der einzelnen Rechenwerke effizient lösen lässt.

Dagegen ist das Cloud Computing wohl die neueste Form des wissenschaftlichen Rechnens. Sein technologischer Vorläufer, das Grid Computing, geht auf das Konzept elektrischer Stromnetze zurück: der Nutzer kann über standardisierte Adapter auf das Netz zugreifen, die technische Realisierung bleibt ihm aber verborgen. Das Grid Computing ist gewissermaßen die Übertragung dieses Konzepts auf IT-Ressourcen, wie Rechnerleistung oder Speicherkapazität. Ein Grid besteht aus geografisch verteilten Ressourcen, die administrativ unabhängig von Organisationen betreut werden, standardisierte, offene Protokolle und Schnittstellen verwenden und bestimmte Eigenschaften in Bezug auf Antwortzeitverhalten, Verfügbarkeit und Durchsatz aufweisen. Groß angelegte wissenschaftliche Anwendungen, wie die des Large Hadron Collider des CERN, erforderten mehr Rechenleistung als ein lokales Cluster-System bereitstellen konnte.

Die schnelle Vernetzbarkeit über das Internet beförderte schließlich die Idee einer gemeinsamen, koordinierten Nutzung von IT-Ressourcen über virtuelle Organisationen hinweg. Während wissenschaftliche Grid-Umgebungen ohne komplizierte Preisgestaltung auskommen, haben bei kommerziell betriebenen Netzwerken Geschäfts- und Preisgestaltungsmodelle eine besondere Bedeutung. Cloud Computing berücksichtigt Fragen, die das Geschäftsmodell betreffen, während das dezentrale Management und der Zugriff auf verteilte Ressourcen (entsprechend dem Grid Computing) nicht weiterverfolgt werden. Vielmehr resultieren gerade aus der Zentralisierung von Rechenressourcen entscheidende wirtschaftliche Vorteile (Economies of Scale). Durch die Virtualisierung ermöglichen Clouds die dynamische Bereitstellung und Rückgabe von IT-Ressourcen. Parallel hierzu wird die Ressourcennutzung überwacht, um durch die dynamische Zuteilung von Anwendungen und Ressourcen für einen Belastungsausgleich zu sorgen.

Sowohl Hochleistungsrechnen wie Cloud Computing stellen essentielle Werkzeuge und Forschungsgegenstände an unserer Universität dar – wovon Sie die folgenden Seiten sicher überzeugen werden.

Beim Hochleistungsrechnen ist die UDE mit der neuen Maschine MagnitUDE außergewöhnlich gut aufgestellt – einem der 500 schnellsten Rechner weltweit, und darunter einer der energieeffizientesten! Diese Maschine stellt den Nutzern nicht nur unkompliziert massive Rechenleistung bereit, sondern ermöglicht auch den Schritt zum exklusiven Club der Nutzer der allergrößten deutschen Rechner in Jülich, Stuttgart und München und sogar darüber hinaus.

Cloud Computing wird an der UDE vor allem dazu verwendet, um Studierenden teure kommerzielle Softwarewerkzeuge und praxisrelevante Daten auf abgesicherte Weise zur Verfügung zu stellen. Diese Anwendungen können sowohl vom Hörsaal als auch von zuhause aufgerufen werden. Gegenstand der Forschung ist Cloud Computing an der UDE vor allem hinsichtlich Sicherheit und Prüfbarkeit sowie Lokalisierung und Navigation.

Als Herausgeber dieser Ausgabe bleibt uns, den Autoren aus den verschiedenen Fachbereichen der UDE für ihre Beiträge zu danken. Ihnen allen ist es gelungen, komplizierte Forschungsgegenstände wissenschaftlich und anschaulich darzustellen – und Ihnen eine interessante Lektüre zu ermöglichen.

 

Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Lesen!

 

Prof. Dr. Ludwig Mochty

Lehrstuhl für Wirtschaftsprüfung, Unternehmensrechnung und Controlling

 

Prof. Dr.-Ing Andreas Kempf

Vorstand des Center for Computational Sciences and Simulation Lehrstuhl für Fluiddynamik, Institut für Verbrennung Gasdynamik

Supercomputer am Forschungszentrum Jülich

Beschleuniger für computergestützte Wissenschaften an Universitäten

 

Das Jülich Supercomputing Centre (JSC) versorgt zusammen mit dem Höchstleistungsrechenzentrum in Stuttgart (HLRS) und dem Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching bei München, die gemeinsam das Gauss Centre for Supercomputing. (GCS e.V.) bilden, die deutsche Wissenschaftslandschaft mit Rechenressourcen der höchsten Leistungsklasse.

Risiko in der Wolke?

Die Sicherheitsanalyse von Cloud-Anwendungen

 

Für Cloud-Kund*innen ergeben sich durch die Nutzung von Cloud-Computing- Diensten verschiedene Vorteile. So entfallen beispielsweise die Kosten für den Betrieb einer eigenen IT-Infrastruktur, und der Umfang der genutzten Ressourcen kann je nach Bedarf flexibel angepasst werden. Die Nutzung von Cloud- Computing-Diensten bringt allerdings auch Risiken mit sich.

Molekulardynamik auf Hochleistungsrechnern

Selbstorganisation und dynamische Strukturen in Flüssigkeiten

 

Dieser Artikel erklärt, wie mit Modellen, Hypothesen, Computern und Programmen Forschungsfragen beantwortet und neue gestellt werden (können).

 

Vorhersage der Turbulenz in Reaktoren und Motoren

High-Performance Computing in der Strömungssimulation

 

Die möglichst akkurate Vorhersage des Strömungsverhaltens von Fluiden ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen der Ingenieurwissenschaften. Hier setzt die Arbeitsgruppe von Andreas Kempf an.

 

Spinning round

High-Performance Computing für maßgeschneiderte Materialien für die Informationstechnologie

 

Mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie sind wir in der Lage, den Zusammenhang zwischen der atomaren Struktur und den Eigenschaften eines Materials zu erforschen, ohne dass empirisch gewonnene Kenntnisse als Ausgangspunkt benötigt werden. Der Einsatz von High-Performance Computing ermöglicht es uns, diesen parameterfreien wissenschaftlichen Zugang sogar auf komplexe Systeme, zum Beispiel Grenzflächen zwischen zwei Materialien, auszudehnen.

 

Ganz privat?

Der Schutz persönlicher Daten in der Cloud

 

Persönliche Daten in der Cloud zu speichern und zu verarbeiten, kann ein Risiko sein, wenn die Daten vor Manipulation und unerlaubtem Zugriff nicht sicher sind. Spätestens seit der NSA-Affäre interessiert die Nutzer*innen: Wer besitzt meine Daten? Wer kann darauf zugreifen? Was passiert bei deren Verarbeitung und Auswertung? Wissenschaftler*innen am paluno (The Ruhr Institute for Software Technology) der Universität Duisburg-Essen arbeiten an softwaretechnischen Lösungen zur sicheren Datenverarbeitung beim Cloud Computing.

 

SIMON macht mobil

Die Cloud ermöglicht personalisierte Mobilität

 

Drei Forscher der Universität Duisburg-Essen haben sich nach mehreren Jahren Forschung mit der Firma Locoslab selbständig gemacht. Locoslab GmbH ist ein 2012 ins Leben gerufene Spin-off der Universität, das cloud-basierte Produkte und Dienstleistungen rund um das Thema Lokalisierung anbietet. Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten durch den technischen Einsatz des so genannten RF (Radio Frequencing) Fingerprinting, beispielsweise in den Bereichen Navigation auf Flughäfen, in Einkaufszentren oder auf Messen. So können personalisierte Mobilitätslösungen realisiert werden.

 

Virtuelles Risiko oder Segen?

Cloud Computing in der Wirtschaftsprüfung

 

Das Aufkommen des Cloud Computing hat gewaltige Auswirkungen auf die IT-Industrie. Unternehmen wie Google, Amazon und Microsoft, bieten immer leistungsfähigere, zuverlässigere und kostengünstigere Cloud Plattformen an. Unternehmen mit Rechenbedarf hinterfragen zunehmend den Nutzen ihrer eigenen IT-Infrastruktur und prüfen, inwieweit sie durch Nutzung von Cloud Computing Fixkosten abbauen und bedarfsgerecht gegen variable Kosten austauschen können.

 

Neue Materialien errechnen

HPC in der Vorhersage neuartiger elektronischer und magnetischer Eigenschaften auf der Nanoskala mittels atomistischer quantenmechanischer Simulationen

 

Der vorliegende Artikel illustriert den Beitrag der theoretischen Materialphysik im Bereich Hochleistungsrechnen mit dem Fokus auf Materialien für elektronische Bauelemente sowie für die Energiegewinnung (Thermoelektrika), Energiespeicherung (Wasserspaltung) und Wärmetransport (magnetische Kühlung).

 

Hochleistungsrechnen trifft Hochleistungsstahl

Herausforderungen zweier Welten

 

In den letzten Jahrzehnten wurden neue, moderne Stahlsorten entwickelt. Diese Stähle haben gegenüber den bisher dagewesenen verbesserte Eigenschaften und stärken die Attraktivität von Stahl gegenüber Alternativen wie Aluminium und Kunststoff.

 

Immer mehr Standard

Cloud Computing im Kontext von Enterprise Systems

 

Eine Herausforderung für Unternehmen in Zeiten der Digitalisierung ist es, das Management der gemeinhin als Standardsoftware deklarierten Enterprise Systems in der Cloud zu bewältigen.

 

Ein Großgerät für die Forschung

Hochleistungsrechnen auf der magnitUDE

 

Die technischen Daten und das „Drumherum“ des Wissenschaftlichen Rechnens mit der magnitUDE thematisiert dieser Text des Supportteams des High-Performance Computings an der UDE.

 

  
UNIKATE 49: UNIKATE 49: Mehrsprachigkeit im Ruhrgebiet - Vielfältig und doch individuell
UNIKATE 48: Materials Chain - Forschung aus dem UA Ruhr-Profilschwerpunkt
UNIKATE 47: Globale Kooperationsforschung - Transdisziplinäre und transkulturelle Perspektiven
UNIKATE 46: Patente - Motivation für die Wissenschaft?

ISBN 978–3–934359–50–5