PerficienCC
Performance and Efficiency in HPC with Custom Computing

Zahlreiche Forschungsprojekte haben gezeigt, dass Beschleuniger wie Feld-programmierbare Gate-Arrays (FPGAs), Manycore-Prozessoren und Grafikprozessoren (GPUs) erhebliche Performance- und Energieeffizienz-Vorteile für Probleme des Hochleistungsrechnens erzielen können. Dennoch ist die Nutzung von Beschleunigern im HPC-Bereich bisher nur wenig verbreitet - auch für Anwendungen, die sehr wahrscheinlich von Beschleunigern profitieren könnten. Es gibt zahlreiche Gründe für die Zurückhaltung der HPC-Entwickler bei der Beschleunigernutzung, unter anderem: fehlende technische Kenntnisse; unklarer Nutzen des Zeitaufwandes für Portierung und Optimierung; mangelnde Abschätzung des Beschleunigungspotentials; schlechte Qualität von Dokumentationen und Beispielen für die Beschleuniger; wenige Bibliotheken, die eine Black-Box-Nutzung von Beschleunigern ermöglichen.



Im Projekt PerficienCC etablieren wir einen strukturierten Support- und Beratungsprozess in unserem HPC-Center, der HPC-Entwickler während des gesamten Prozesses von der Leistungsanalyse und der Einschätzung des Beschleunigungspotentials bis hin zur Optimierung der laufzeitkritischen Teile ihrer Applikationen unterstützt. Dieser Prozess ergänzt das Fachwissen in Teams von Entwicklern aus dem Bereich des wissenschaftlichen Rechnens und verbessert so das Kosten-Nutzen-Verhältnis von Code-Portierung und Optimierung für Beschleuniger. Damit können diese Wissenschaftler letztlich die Programmlaufzeit reduzieren oder größere oder komplexere Systeme simulieren.



Um den Entwicklern zu ermöglichen, von früheren Arbeiten zu profitieren, werden wir häufig verwendete Funktionen in wiederverwendbare Bibliotheken übersetzen. Schließlich werden wir Lehrmaterialien entwickeln, die auf die Bedürfnisse des wissenschaftlichen Rechnens zugeschnitten sind und Codebeispiele sammeln, die bewährte Praktiken veranschaulichen.



Wir werden die Arbeit in diesem Projekt auf die technologischen und die Anwendungs- oder Methodenbezogenen Kompetenzen unseres Rechenzentrums und seiner Nutzer konzentrieren. Da die Forschung unserer wichtigsten Nutzer in drei Hauptdomänen (Nanophotonik, Molekulardynamik und Quantenchemie) konzentriert ist, können wir domänenspezifische Methoden und Erfahrungen für verschiedene Codes wiederverwenden. Technologisch werden wir uns auf FPGAs als Beschleuniger-Technologie konzentrieren, denn FPGAs haben das höchste Potenzial, die Energieeffizienz der Berechnung zu verbessern und FPGAs erhalten aktuell zunehmend Unterstützung von großen Herstellern. Wir sehen eine fruchtbare Basis für unsere Forschungs- und Entwicklungsbemühungen, angetrieben durch erste Initiativen zur Standardisierung von Software-Stacks für FPGAs, den Beginn der Hardware-Integration von FPGA-Technologien in Prozessoren, die Einführung von CAPI als allgemeine Beschleuniger-Schnittstelle durch IBM und die erhöhte Reife von FPGA-Entwicklungswerkzeuge. Wir erwarten, dass unsere umfangreiche Kompetenz im Bereich Custom Computing mit FPGAs und unsere Fokussierung auf wenige Anwendungsdomänen ideale Voraussetzungen für einen signifikanten Fortschritt bei der Anwendung von FPGAs in HPC bieten und wir so das Potenzial zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz mit echten HPC-Codes demonstrieren und quantifizieren können.