«Die Zusammenarbeit war noch nie so eng wie heute»

ETH-News: Herr Sch?r, welche Erinnerungen haben Sie an die Gr¨¹ndungszeit des CSCS?
Christoph Sch?r: Wir haben unsere Klimamodelle von Anfang an am CSCS gerechnet. Zuvor nutzte ich f¨¹r meine Doktorarbeit das Rechenzentrum der ETH. Als das CSCS gegr¨¹ndet wurde, war die Stimmung unter den Nutzern skeptisch. Selbst heute muss man den Entscheid, das CSCS im Tessin anzusiedeln, vor allem aus einer f?deralen Optik heraus verstehen. Ein Rechenzentrum besteht ja nicht nur aus einem Supercomputer, sondern auch aus vielen Menschen mit Know-how, zu denen wir einen unkomplizierten Zugang haben m?chten. Anfangs schien das im hauseigenen ETH-Rechenzentrum einfacher m?glich.

Haben sich die Bedenken best?tigt?
Wir Forscher haben immer gut mit dem CSCS zusammengearbeitet. 1999 realisierten wir unser erstes grosses gemeinsames Projekt, das Mesoscale Alpine Programme. Damals gelang es erstmals, in Echtzeit die Wettervorhersage in einer Aufl?sung von drei Kilometern zu rechnen. Heute rechnen wir Klimamodelle ¨¹ber einen Zeitraum von Jahrzehnten mit Aufl?sungen, die damals nur f¨¹r Wetter-Kurzfristvorhersagen ¨¹ber 18 Stunden m?glich waren.

Wer ausser den Klimaforschern nutzte damals sonst noch die Infrastruktur?
Von Beginn weg dabei waren die Astronomen. Ausserdem waren die rechnergest¨¹tzte Chemie, der Maschinenbau und die Festk?rperphysik vertreten.

Die Rechnerleistung hat sich in den 25 Jahren des Bestehens des CSCS millionenfach erh?ht. Zugleich wurden die Klimamodelle immer komplexer und aussagekr?ftiger. Welches war die treibende Kraft?
Ich war acht Jahre im wissenschaftlichen Beirat beim European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) in Reading. Damals konnte ich beobachten, wie die Computerindustrie und die Wissenschaft einerseits Hand in Hand arbeiten, wie sich andererseits aber auch gegenseitig ausspielen. Bei Neubeschaffungen beispielsweise gingen die Quellcodes der ECMWF-Programme an die grossen Hardwarehersteller. Diese versuchten, diese zu optimieren, um die Ausschreibung zu gewinnen. Im Hintergrund stellte sich jedoch immer die Frage, wie stark man die Programme an eine bestimmte Rechnerarchitektur anpassen soll. Wir k?nnen ja nicht alle paar Jahre unsere Codes umschreiben.

Die beiden Initiativen ?Platform for Advanced Scientific Computing? (PASC) und zuvor ?High Performance and High Productivity Computing? (HP2C) zielten jedoch genau darauf ab: Programme an eine neue Rechnerarchitektur anpassen.
Dies h?ngt mit der Einf¨¹hrung von neuen Rechnern mit Grafikprozessoren zusammen. Dazu mussten wir tats?chlich Teile der Programme komplett neu schreiben. Der Anstoss dazu gab der jetzige Direktor des CSCS, Thomas Schulthess. Er hat uns ¨¹berzeugt, dass es hier um eine strategische Neuausrichtung f¨¹r die n?chsten Jahrzehnte geht. Nun haben wir eine langfristige Strategie, wie wir die Programme f¨¹r unterschiedliche Rechnerarchitekturen fit halten k?nnen. Die Zusammenarbeit mit dem CSCS war noch nie so eng wie heute.

Wie haben PASC und HP2C Ihre Forschungsarbeit beeinflusst?
Die Anpassung der Programme war sehr aufw?ndig. Eine universit?re Forschungsgruppe kann unm?glich diesen Effort alleine erbringen. Wir arbeiten seither sehr eng mit dem CSCS, mit MeteoSchweiz und dem Center for Climate Systems Modeling (C2SM) zusammen. Oliver Fuhrer von der MeteoSchweiz leitete das Unterfangen. ?ber einen Zeitraum von rund f¨¹nf Jahren haben wir mehr als f¨¹nfzehn Personenjahre investiert. Neu arbeiten wir im Rahmen eines Sinergia-Projekts auch mit dem Departement Informatik der ETH zusammen.

Wie s?he die Klimaforschung ohne Hochleistungsrechner aus?
Neben Theorie und Experiment wurde die Simulation die dritte wichtige S?ule der Wissenschaft. In den Klimawissenschaften ist das besonders ausgepr?gt der Fall, weil wir keine Experimente machen k?nnen. Die ?Experimente?, die wir mit dem Klimasystem durchf¨¹hren, wie dem Ozonloch oder dem Klimawandel, zeigen uns, dass wir besser keine machen sollten. Deshalb sind Simulationen zentral f¨¹r uns.

Was waren f¨¹r Sie einschneidende Entwicklungen in den letzten 25 Jahren?
Ein Quantensprung f¨¹r uns war, als wir in den Modellen erstmals Gewitter und Schauer explizit darstellen konnten. Wichtig war auch, die Ozeanmodelle in das Atmosph?renmodell zu integrieren. Heute sprechen wir von Erdsystem-Modellen, welche die Ozeane, das Meereis und die Landoberfl?chen einbeziehen.

¡­und bei den Supercomputern?
Die Ver?nderung von einem sogenannten Shared-Memory-Paradigma zu einem Distributed-Memory-Paradigma und die Frage, wie der Speicher auf einem Chip organisiert ist, zeigt, dass die Rechenoperationen selbst heute nicht mehr das gr?sste Problem sind. Wichtig ist heute, wie der Speicher organisiert ist und wie die Daten zu den Prozessoren gef¨¹hrt werden.

Bis Ende dieses Jahrzehnts soll die derzeitige Petaflop-?ra, in der Supercomputer Billiarden von Rechenoperationen pro Sekunde durchf¨¹hren, durch die sogenannte Exascale-?ra abgel?st werden. Was erhoffen Sie sich davon?
Eines der grossen Ziele der Klimawissenschaften ist, Unsicherheiten wie gewittrige Niederschl?ge und Bew?lkung durch m?glichst explizite Simulationen zu kl?ren. Hierf¨¹r muss die Entwicklung in Richtung Exascale weitergehen.

Und was w¨¹nschen Sie sich in Zukunft vom CSCS?
?ber den Service und den Betrieb der Supercomputer hinaus brauchen wir Expertise, wie sich das High Performance Computing entwickeln und welche Architektur sich durchsetzen wird. Basierend darauf ergibt sich eine langfristige und kontinuierliche Strategie, die hoffentlich ¨¹ber Dekaden Bestand hat. Rechenzentren sind f¨¹r uns Klimaforscher zentral. Sie spielen eine ?hnliche Rolle f¨¹r uns wie das CERN f¨¹r die Teilchenphysiker.