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Anwendungsorientierte HPC-Software für das Hoch- und Höchstleistungsrechnen in Wissenschaft und Wirtschaft
Termin:
05.06.2015
Fördergeber:
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Das Hoch- und Höchstleistungsrechnen (High Performance Computing, HPC) ist heute für die Wettbewerbsfähigkeit unserer Wissenschaft und unserer Wirtschaft unerlässlich. Modernste Grundlagenforschung wie z. B. die Energieforschung, die Material- und Lebenswissenschaften oder auch die Klimaforschung sind ohne Simulationsverfahren auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern undenkbar. Es ist aber auch Grundlage für viele innovative Produkte in den Schlüsselbereichen der deutschen Wirtschaft. Ob elektronische Geräte, Autos, Flugzeuge, moderne Medikamente oder neuartige Operationsverfahren sie alle basieren heute auf Erkenntnissen, die mittels Simulationen auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern gewonnen werden. Neben den etablierten Anwendungsfeldern erlangt HPC auch in anderen Bereichen zunehmende Bedeutung. Zu nennen sind hier beispielsweise die Verwendung agentenbasierter Modelle zur Simulation komplexer sozialer Phänomene in den Sozialwissenschaften oder komplexe Simulationen im Bereich der Logistik.
Gleichzeitig steigt die Komplexität der HPC-Architekturen und ihre effiziente Nutzung stellt viele Anwender vor große Herausforderungen:
- Die immer weiter steigende Zahl der Prozessoren (Cores) auf einem Chip führt zu einer massiven Parallelität der Rechner und einer verteilten Speicherorganisation. Derartige Rechner stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Skalierbarkeit der Software der Anwender.
- Verteilte Speicherarchitekturen und die Verwendung anderer Prozessortypen, insbesondere sog. GPUs (Graphics Processing Unit), lassen die Architektur moderner HPC-Rechner zunehmend komplexer und ihre Programmierung - anspruchsvoller werden.
- Vorhandene Algorithmen und Software müssen ständig an neue Systeme angepasst werden, um die Leistung und Kosteneffizienz zu optimieren. Die Anpassung an massiv parallele Systeme mit komplexer Architektur ist insbesondere bei älteren Algorithmen und älterer Software eine Herausforderung.
Das BMBF wird gemeinsame Verbundprojekte von Wissenschaft und gegebenenfalls Wirtschaft in interdisziplinärer Zusammensetzung fördern, die gezielt die in der Vorbemerkung beschriebenen Herausforderungen der Software für Many-Core-Umgebungen und hoch-skalierbare Rechner anhand konkreter Anwendungen adressieren und gleichzeitig den Kompetenzaufbau bei HPC-Experten und Anwendern sowie die Profilbildung der HPC-Experten voranbringen, die Aus- und Weiterbildung von HPC-Experten und Anwendern unterstützen sowie weit über die Projektgrenzen hinaus wirken. Die Projekte sollen grundsätzlich Forschergruppen aus Universitäten und/oder Forschungseinrichtungen und gegebenenfalls Unternehmen als Partner einbinden und zusammenführen.
Ein Verbundprojekt soll zu den im Zuwendungszweck dargestellten Zielen beitragen und grundsätzlich folgende Elemente beinhalten:
Innovationen in HPC-Software (einschließlich Methodik und Werkzeuge)
Mit Blick auf die Herausforderungen in der Software für skalierbare Parallelrechner werden ausgewählte Projekte gefördert, die
- in Zusammenarbeit von HPC-Experten und Anwendern innovative parallele Algorithmen und Methoden mit sehr guter Skalierbarkeit für neue Anwendungen entwickeln;
- in Zusammenarbeit von HPC-Experten und Anwendern bestehende Algorithmen und Methoden auf massiv skalierbare Parallelrechner bzw. komplexe Rechnerarchitekturen im Sinne der Bekanntmachung portieren.
In beiden Fällen wird eine Mindestinnovationshöhe im Bereich der HPC-Software erwartet.
Die Projekte sollen prototypische Lösungen mit hinreichend stabilem Charakter für den effizienten Einsatz realisieren. Grundsätzlich wird für die Software-Werkzeuge eine Produktionsreife erwartet, die den notwendigen Qualitätsmaßstäben zum effektiven Einsatz auf den Zielsystemen gerecht wird. Es wird erwartet, dass Zugang zu den notwendigen Rechenressourcen zum erforderlichen Zeitpunkt für den notwendigen Zeitraum besteht.
Industrielle Anwender werden explizit ermuntert, sich als Anwendungspartner (mit Unterstützungsbedarfen durch HPC-Experten) in die Projekte einzubringen.
Profilbildung/Angebots- und Bedarfsanalyse
Gleichzeitig sind im Rahmen des Projekts im Zusammenspiel der verschiedenen Projektbeteiligten die Anforderungen der Nutzer an die Unterstützung durch HPC-Experten (Bedarfsprofil, Definition der Anforderungen) sowie aus Sicht der HPC-Experten die angebotenen Kompetenzen im Sinne eines Dienstleistungsangebots an die Nutzer (Definition eines Angebots) auszuarbeiten und darzustellen. Dies soll insbesondere die Profilbildung und die Identifikation vorhandener Kompetenzen sowie die Identifikation der Kompetenzbedarfe unterstützen. Eine erste grobe Darstellung wird bei Einreichung der Projektskizze erwartet. Im Projektablauf soll die Angebots-/Bedarfsanlayse vertieft und verfeinert dargestellt werden.
Nachhaltigkeit
Um einen langfristigen Nutzen sicherzustellen und einen ressourceneffizienten Einsatz auch auf künftigen, neuen Systemen zu gewährleisten, sollen die im Projekt entstandenen Modelle und Software auch nach Projektende einem breiten Nutzerkreis zur Verfügung stehen, gepflegt werden und bedarfsgerecht weiterentwickelt und angepasst werden (Nachhaltigkeit der Projektergebnisse). Hierfür ist bei Einreichung der Projektskizze ein Grobkonzept vorzulegen, das im Projektablauf weiter präzisiert wird und eine Nachhaltigkeit der Projektergebnisse erwarten lässt. Die Umsetzung des Konzepts ist nicht Gegenstand der Förderung. Eine Verwertung der Ergebnisse der im Rahmen dieser Fördermaßnahme unterstützten Vorhaben in Form von Open Source-Software wird ausdrücklich begrüßt.
Aus- und Weiterbildung
Die Übertragung der Projektergebnisse in Aus- und Weiterbildung soll ebenfalls durch das Projekt berücksichtigt werden und durch ein Kurzkonzept bei Einreichung der Projektskizze untersetzt werden, das im Projektablauf präzisiert wird. Es wird erwartet, dass alle Projektbeteiligten die im Projekt auf- und ausgebaute Methodenkompetenz in die institutseigene und/oder über die eigene Institution hinausgehende Aus- und Weiterbildung einfließen lassen. Eine enge Anbindung des Projekts an eine Hochschule kann dabei von Vorteil sein. Die Umsetzung des Konzepts bzw. Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen selbst sind nicht Gegenstand der Förderung.
Projekte, deren Software-Innovation primär auf die Verarbeitung großer, heterogener Datenmengen (Big Data) ausgerichtet ist, können nicht gefördert werden.
Physische Experimente als Bestandteil eines Verbundprojekts können nur in sehr begrenztem, kleinem Umfang gefördert werden. Sie müssen darüber hinaus in direktem Zusammenhang zur HPC-Software stehen, dürfen keinen eigenständigen Erkenntnisgewinn bringen und damit lediglich zum Beispiel zur Verifikation von Simulationsergebnissen und damit der HPC-Software dienen.
Mit der Abwicklung der Fördermaßnahme hat das BMBF seinen Projektträger
Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Softwaresysteme und Wissenstechnologien (AE 75)
Dr. Torsten Aßelmeyer-Maluga
Rosa-Luxemburg-Straße 2
10178 Berlin
Telefon: 0 30/6 70 55-7 25, E-Mail: torsten.asselmeyer-maluga@dlr.de, Internet: http://www.pt-it.pt-dlr.de/de/1864.php
Weitere Informationen:
http://www.bmbf.de/foerderungen/26683.php
Gleichzeitig steigt die Komplexität der HPC-Architekturen und ihre effiziente Nutzung stellt viele Anwender vor große Herausforderungen:
- Die immer weiter steigende Zahl der Prozessoren (Cores) auf einem Chip führt zu einer massiven Parallelität der Rechner und einer verteilten Speicherorganisation. Derartige Rechner stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Skalierbarkeit der Software der Anwender.
- Verteilte Speicherarchitekturen und die Verwendung anderer Prozessortypen, insbesondere sog. GPUs (Graphics Processing Unit), lassen die Architektur moderner HPC-Rechner zunehmend komplexer und ihre Programmierung - anspruchsvoller werden.
- Vorhandene Algorithmen und Software müssen ständig an neue Systeme angepasst werden, um die Leistung und Kosteneffizienz zu optimieren. Die Anpassung an massiv parallele Systeme mit komplexer Architektur ist insbesondere bei älteren Algorithmen und älterer Software eine Herausforderung.
Das BMBF wird gemeinsame Verbundprojekte von Wissenschaft und gegebenenfalls Wirtschaft in interdisziplinärer Zusammensetzung fördern, die gezielt die in der Vorbemerkung beschriebenen Herausforderungen der Software für Many-Core-Umgebungen und hoch-skalierbare Rechner anhand konkreter Anwendungen adressieren und gleichzeitig den Kompetenzaufbau bei HPC-Experten und Anwendern sowie die Profilbildung der HPC-Experten voranbringen, die Aus- und Weiterbildung von HPC-Experten und Anwendern unterstützen sowie weit über die Projektgrenzen hinaus wirken. Die Projekte sollen grundsätzlich Forschergruppen aus Universitäten und/oder Forschungseinrichtungen und gegebenenfalls Unternehmen als Partner einbinden und zusammenführen.
Ein Verbundprojekt soll zu den im Zuwendungszweck dargestellten Zielen beitragen und grundsätzlich folgende Elemente beinhalten:
Innovationen in HPC-Software (einschließlich Methodik und Werkzeuge)
Mit Blick auf die Herausforderungen in der Software für skalierbare Parallelrechner werden ausgewählte Projekte gefördert, die
- in Zusammenarbeit von HPC-Experten und Anwendern innovative parallele Algorithmen und Methoden mit sehr guter Skalierbarkeit für neue Anwendungen entwickeln;
- in Zusammenarbeit von HPC-Experten und Anwendern bestehende Algorithmen und Methoden auf massiv skalierbare Parallelrechner bzw. komplexe Rechnerarchitekturen im Sinne der Bekanntmachung portieren.
In beiden Fällen wird eine Mindestinnovationshöhe im Bereich der HPC-Software erwartet.
Die Projekte sollen prototypische Lösungen mit hinreichend stabilem Charakter für den effizienten Einsatz realisieren. Grundsätzlich wird für die Software-Werkzeuge eine Produktionsreife erwartet, die den notwendigen Qualitätsmaßstäben zum effektiven Einsatz auf den Zielsystemen gerecht wird. Es wird erwartet, dass Zugang zu den notwendigen Rechenressourcen zum erforderlichen Zeitpunkt für den notwendigen Zeitraum besteht.
Industrielle Anwender werden explizit ermuntert, sich als Anwendungspartner (mit Unterstützungsbedarfen durch HPC-Experten) in die Projekte einzubringen.
Profilbildung/Angebots- und Bedarfsanalyse
Gleichzeitig sind im Rahmen des Projekts im Zusammenspiel der verschiedenen Projektbeteiligten die Anforderungen der Nutzer an die Unterstützung durch HPC-Experten (Bedarfsprofil, Definition der Anforderungen) sowie aus Sicht der HPC-Experten die angebotenen Kompetenzen im Sinne eines Dienstleistungsangebots an die Nutzer (Definition eines Angebots) auszuarbeiten und darzustellen. Dies soll insbesondere die Profilbildung und die Identifikation vorhandener Kompetenzen sowie die Identifikation der Kompetenzbedarfe unterstützen. Eine erste grobe Darstellung wird bei Einreichung der Projektskizze erwartet. Im Projektablauf soll die Angebots-/Bedarfsanlayse vertieft und verfeinert dargestellt werden.
Nachhaltigkeit
Um einen langfristigen Nutzen sicherzustellen und einen ressourceneffizienten Einsatz auch auf künftigen, neuen Systemen zu gewährleisten, sollen die im Projekt entstandenen Modelle und Software auch nach Projektende einem breiten Nutzerkreis zur Verfügung stehen, gepflegt werden und bedarfsgerecht weiterentwickelt und angepasst werden (Nachhaltigkeit der Projektergebnisse). Hierfür ist bei Einreichung der Projektskizze ein Grobkonzept vorzulegen, das im Projektablauf weiter präzisiert wird und eine Nachhaltigkeit der Projektergebnisse erwarten lässt. Die Umsetzung des Konzepts ist nicht Gegenstand der Förderung. Eine Verwertung der Ergebnisse der im Rahmen dieser Fördermaßnahme unterstützten Vorhaben in Form von Open Source-Software wird ausdrücklich begrüßt.
Aus- und Weiterbildung
Die Übertragung der Projektergebnisse in Aus- und Weiterbildung soll ebenfalls durch das Projekt berücksichtigt werden und durch ein Kurzkonzept bei Einreichung der Projektskizze untersetzt werden, das im Projektablauf präzisiert wird. Es wird erwartet, dass alle Projektbeteiligten die im Projekt auf- und ausgebaute Methodenkompetenz in die institutseigene und/oder über die eigene Institution hinausgehende Aus- und Weiterbildung einfließen lassen. Eine enge Anbindung des Projekts an eine Hochschule kann dabei von Vorteil sein. Die Umsetzung des Konzepts bzw. Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen selbst sind nicht Gegenstand der Förderung.
Projekte, deren Software-Innovation primär auf die Verarbeitung großer, heterogener Datenmengen (Big Data) ausgerichtet ist, können nicht gefördert werden.
Physische Experimente als Bestandteil eines Verbundprojekts können nur in sehr begrenztem, kleinem Umfang gefördert werden. Sie müssen darüber hinaus in direktem Zusammenhang zur HPC-Software stehen, dürfen keinen eigenständigen Erkenntnisgewinn bringen und damit lediglich zum Beispiel zur Verifikation von Simulationsergebnissen und damit der HPC-Software dienen.
Mit der Abwicklung der Fördermaßnahme hat das BMBF seinen Projektträger
Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Softwaresysteme und Wissenstechnologien (AE 75)
Dr. Torsten Aßelmeyer-Maluga
Rosa-Luxemburg-Straße 2
10178 Berlin
Telefon: 0 30/6 70 55-7 25, E-Mail: torsten.asselmeyer-maluga@dlr.de, Internet: http://www.pt-it.pt-dlr.de/de/1864.php
Weitere Informationen:
http://www.bmbf.de/foerderungen/26683.php