Wir wollen uns gemeinsam über Supercomputer informieren.
Aufgabe
Zu Zweit bearbeitet ihr eine der aufgelisteten Fragen und die dazugehörigen Präzisierungen. Am Ende wollen wir die Ergebnisse zusammentragen und hier festhalten.
Schreibt also einen Text – inkl. Unterkapitel, Quellenangaben, Tabellen und Bildern.
Was ist ein Supercomputer?
erarbeitet von Nils & Rezan
Supercomputer sind besonders schnelle Computer. Dabei ist es egal auf welcher Bauweise sie beruhen, solange man sie universell als Rechner einsetzen kann. Ein typisches Merkmal eines modernen Supercomputers ist seine besonders große Anzahl an Prozessoren. Eingesetzt werden Supercomputer zum Beispiel im wissenschaftlichen Rechnen, wo sie auch eine essenzielle Rolle spielen.[1]
IBM Roadrunner
Das ist ein Supercomputer, welcher vom US-Energieministerium gebraucht wurde. 2013 wurde IBM abgesetzt aufgrund seiner ineffizienten Energieverbrauch.
Unterschiede zu normalem Computer:
- Leistung
- Supercomputer können eine deutlich höhere Rechenleistung bieten als normale Computer
- Architektur
- Supercomputer verwenden oft spezielle Architekturen, die für Parallelverarbeitung optimiert sind. Sie bestehen aus Tausenden von Prozessoren oder Prozessorkernen, die gleichzeitig an verschiedenen Teilen eines Problems arbeiten können. Normale Computer haben typischerweise weniger Prozessoren und sind nicht so stark auf parallele Verarbeitung ausgelegt.
- Speicher und Datenverarbeitung
- Supercomputer verfügen über große Mengen an Speicherplatz und können riesige Datenmengen verarbeiten. Sie können auch auf Hochgeschwindigkeitsnetzwerke zugreifen, um Daten zwischen verschiedenen Knoten oder Clustern auszutauschen. Normale Computer haben in der Regel begrenztere Speicherkapazitäten und sind nicht so stark auf die Verarbeitung großer Datenmengen ausgelegt.
Welches sind die Top-Supercomputer?
erarbeitet von Vanessa, Sarah und Aline
- Frontier des Oak Ridge National Laboratory mit 1’194 EFLOPS (USA)
- HPE
- Seit 2022 in Gebrauch
- Power: 22’703 kW
- Dezember 2023: schnellster Computer der Welt
- Aurora des Argonne National Laboratory mit 585’3 PFLOPS (USA)
- Intel
- Seit 2023 in Gebrauch (noch Verbesserungen geplant)
- Power: 24’687 kW
- Eagle der Microsoft Corporation mit 561’2 PFLOPS (USA)
- Microsoft
- Seit 2021 in Gebrauch
- Power: 848.84 kW
- Fugaku des RIKEN Center for Computational Science mit 442’0 PFLOPS (Japan)
- Fujitsu
- 2014 Baubeginn, Seit 2020 in Gebrauch
- Power: 29’899 kW
- LUMI des EuroHPC mit 309’1 PFLOPS. (Finnland)
- HPE
- Seit 2022 in Gebrauch
- Seit Januar 2023 Nummer 1 in der EU
- Power: 7’107 kW
Wie lange gibt es schon Supercomputer?
erarbeitet von Levin und Benjamin
Supercomputer existieren seit den frühen 1960er Jahren. Der Begriff «Supercomputer» wurde erstmals verwendet, um Rechner zu beschreiben, die im Vergleich zu herkömmlichen Computern eine herausragende Leistung bieten.
Was waren die ersten Supercomputer? Wie haben sich diese entwickelt?
Die ersten Supercomputer waren riesige, spezialisierte Maschinen, die für komplexe wissenschaftliche und militärische Berechnungen entwickelt wurden.
Einer der ersten Supercomputer war der CDC 6600, entwickelt von Seymour Cray und seinem Team bei Control Data Corporation in den 1960er Jahren.
Diese frühen Supercomputer verwendeten spezielle Architekturen und Technologien, um ihre beeindruckende Leistung zu erreichen.
Was hat sich verändert bezüglich Architektur, Technologie und Leistung?
- Architektur
- Frühe Supercomputer verwendeten spezialisierte Architekturen wie Vektorprozessoren. Mit der Zeit wurden diese durch skalierbare Architekturen wie Cluster von Mikroprozessoren ersetzt, die Parallelverarbeitung ermöglichen.
- Technologie
- Fortschritte in der Halbleitertechnologie haben zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Supercomputer-Technologie geführt. Zum Beispiel hat die Miniaturisierung von Transistoren gemäß Moores Gesetz dazu beigetragen, dass die Anzahl der Transistoren auf einem Chip exponentiell gestiegen ist, was zu einer erhöhten Rechenleistung geführt hat.
- Leistung
- Die Rechenleistung von Supercomputern wird oft in FLOPS (Floating Point Operations Per Second) gemessen. Die CDC 6600 hatte eine Spitzenleistung von rund 3 Millionen FLOPS, während moderne Supercomputer wie der Fugaku in Japan eine Spitzenleistung von über 442 Petaflops (442 Billiarden FLOPS) erreichen können. Dies entspricht einem enormen Anstieg der Rechenleistung über die Jahrzehnte hinweg.
Gibt es Supercomputer in der Schweiz?
erarbeitet von Felix und Eric
Piz Daint
- Standort
- Der schnellste Supercomputer (Stand November 2023) der Schweiz befindet sich im Swiss National Supercomputing Centre (CSCS). Dieses befindet sich in Lugano.
- Verwendung
- Der Piz Daint wird für hochauflösende, rechenintensive Simulationen in der Klima- und Materialforschung verwendet. Der Piz Daint besteht aus 361.760 getakteten Xeon-Prozessoren.
- Internationaler Vergleich
- Im Jahr 2017 war der Piz Daint der drittschnellste Computer der Welt. Im Jahr 2023 belegte er weltweit noch den 37. Platz.
Alps
- Standort
- Der ALPS befindet sich ebenfalls im Swiss National Supercomputing Centre in Lugano.
- Verwendung
- Der ALPS sollte im Frühjahr 2024 online gehen und ist somit der Nachfolger des Piz Daint. Er soll der schweizer sowie der weltweiten Wissenschaft zur Verfügung stehen.
- Internationaler Vergleich
- Der ALPS belegte im Jahr 2023 weltweit den 270. Platz der Supercomputer, er soll aber den Piz Daint in seiner Rechenleistung übertreffen.
A17A
- Standort
- Dieser Supercomputer befindet sich in Rümlang (Zürich)
- Verwendung
- Nicht bekannt
- Internationaler Vergleich
- A17A befindet sich weltweit auf dem 398. Platz.
Supercomputer auch zu Hause?
erarbeitet von Moreno und Shane
Die frühen Supercomputer die einmal zur Mondlandung benutzt wurden, konnten weniger Berechnungen durchführen als heutige Smartphones. Die Grösse eines Supercomputers blieb etwa aber gleich. Dass die Leistungsfähigkeit aber stieg, hängt damit zusammen, dass die Anzahl Transistoren pro Fläche drastisch hochgegangen ist. Der Begriff Supercomputer beschreibt aber einen sehr grossen, sehr teuren und für die aktuelle Zeit sehr leistungsfähigen Computer. Meist nimmt dieser mehrere Räume ein und kann komplexe Simulationen wie zum Beispiel die eines Teiles des Gehirns übernehmen (Dies wurde einmal mit dem Supercomputer K versucht, er brauchte mehrere Minuten um eine einzige Sekunde der Geschehnisse zu simulieren, der ausgewählte Gehirnbereich betrug nur ein Bruchteil der gesamten Komplexität).
Moore’s Law
Das Mooresche Gesetz besagt, dass die Anzahl Transistoren pro Fläche sich in einem gewissen Zeitraum verdoppelt. Sie steige also exponentiell. Die Kurve ist tatsächlich beängstigend genau. Der Zeitraum dazu beträgt etwa zwei Jahre (Diverse Quellen schreiben über 12 – 24 Monate). Der Anfang dieser Platzreduzierung geht wohl vor allem auf die Halbleitertechnologie zurück, die es erstmals erlaubte, viel kleinere, nicht mechanische Transistoren zu designen und so kostengünstig zu verbauen. Dabei geht es vor allem darum, Leiterbahnen dünner zu machen, damit mehr dieser Leiterbahnen nebeneinander passen. Diese sind heutzutage aber nur noch wenige Atome breit und man kommt so langsam an die Grenze der Technologie (wahrscheinlich wegen elektromagnetischen Abstossungen). Daher könnte es sich empfehlen, weitere Forschung in Richtung neuer Technologien zu investieren, dass man die Leistung pro Prozessorfläche weiter erhöhen kann. Diese Vermutung glaube ich dadurch belegen zu können, dass die früheren Technologien wie die Elektromechanischen Punch-Cards, die magnetischen Relays, die Vakuumröhren der 1950er Jahre alle an ihre Grenzen stiessen und durch die jeweilig nächste Technologie ersetzt wurden. So konnten Technologien verbessert, die Herstellung derer gemeistert und schliesslich die Kosten gesenkt werden.
Supercomputer zu Hause? Geht das?
Nein, auch ein high-end Gaming-PC gilt nicht als Supercomputer, da er schlichtweg zu wenig Leistung hat (Wenige hundert Watt), was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass sie wesentlich kleiner sein müssen – wer hat schliesslich eine unbenutzte Lagerhalle zuhause und möchte eine Stromrechnung von mehreren tausend CHF zahlen (Frontier zieht etwa 22.7 MW Strom…), um etwas mehr FPS in den aktuellen Videospielen zu erreichen? Einen Supercomputer zuhause aufzustellen, wäre (zumindest für den Normalverbraucher) nicht möglich. Sie dienen jedoch als einer der Haupttreiber für effizientere, kleinere Komponenten, die dann auch für den Privatverbrauch weiterentwickelt werden. Supercomputer können also direkt keinen Einfluss auf den PC haben, aber sie treiben die Forschung voran. Die Prozessoren mit höherer Transistordichte, können dann meist billiger hergestellt werden, da ein grosses Interesse an deren Vertrieb an Privatpersonen besteht und die Leistung des PCs zuhause steigt. So können auch mehr Berechnungen für Simulationen und Videospiele im Eigenheim gemacht werden, ohne Räume zu füllen und das Portemonnaie zu leeren.
Sind Supercomputer gefährlich?
erarbeitet von Philipp & Adhurim
Handout: Die Gefahren und Zukunft der Quantencomputer
1. Einführung in die Kryptografie
Kryptografie ist die Wissenschaft der Verschlüsselung von Informationen. Sie ermöglicht sichere Kommunikation, indem sie Daten so umwandelt, dass nur Personen, die über einen speziellen Schlüssel verfügen, diese lesen können. Moderne Kryptografie verwendet komplexe mathematische Algorithmen, um Daten zu verschlüsseln und zu entschlüsseln.
2. Funktion der jetzigen Computer
Aktuelle Computer funktionieren auf der Basis von Bits, die entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen können. Diese binäre Datenverarbeitung ermöglicht es Computern, komplexe Berechnungen durchzuführen, indem sie einfache Operationen wie Addition und Subtraktion von Binärzahlen wiederholt anwenden.
3. Unterschiede zu Quantencomputern
Quantencomputer nutzen die Prinzipien der Quantenmechanik, insbesondere Superposition und Verschränkung. Ein Quantenbit, oder Qubit, kann gleichzeitig mehrere Zustände annehmen, nicht nur 0 oder 1. Diese Fähigkeit ermöglicht es Quantencomputern, Berechnungen viel schneller durchzuführen als traditionelle Computer, insbesondere bei Aufgaben, die eine parallele Datenverarbeitung erfordern.
4. Gefahren für die Kryptografie
Quantencomputer stellen eine potenzielle Bedrohung für die Sicherheit der heutigen kryptografischen Systeme dar. Algorithmen, die auf der Schwierigkeit der Faktorisierung großer Zahlen oder dem Finden von Logarithmen in großen Gruppen basieren, könnten durch Quantenalgorithmen, wie Shors Algorithmus, effizient gebrochen werden. Dies würde es ermöglichen, die Verschlüsselung, die Online-Kommunikation, Bankgeschäfte und staatliche Sicherheitssysteme schützt, zu entschlüsseln.
4.2 Gefahren für Kryptowährungen
Kryptowährungen wie Bitcoin verwenden Kryptografie, um Transaktionen zu sichern und die Erstellung neuer Einheiten zu regeln. Quantencomputer könnten theoretisch die kryptografischen Schlüssel brechen, die Wallets und Transaktionen sichern, was das Vertrauen in diese Währungen untergraben und zu einem Zusammenbruch der betreffenden Währung führen könnte.
5. Zeitrahmen bis zur Verwirklichung der Gefahren
Es ist schwierig, genau vorherzusagen, wann Quantencomputer stark genug sein werden, um heutige kryptografische Systeme zu bedrohen. Schätzungen reichen von einigen Jahren bis zu mehreren Jahrzehnten. Der Fortschritt in der Quantencomputertechnologie ist jedoch rasant, und die Entwicklung praktikabler Quantencomputer könnte schneller erfolgen, als derzeit angenommen wird.
6. Lösungsvorschläge
Um der Bedrohung durch Quantencomputer zu begegnen, wird an der Entwicklung quantensicherer Kryptografie gearbeitet. Diese Algorithmen sollen auch gegen Angriffe durch Quantencomputer resistent sein. Forschung in Bereichen wie Gitter-basierte Kryptografie, hash-basierte Kryptografie und Multivariate Kryptografie zeigt vielversprechende Ansätze für die Sicherheit in der Quantenära.
7. Schluss / Fazit
Quantencomputer bieten große Chancen für die Wissenschaft und Technologie, stellen aber auch eine ernsthafte Bedrohung für die Sicherheit der heutigen kryptografischen Systeme dar. Die Entwicklung und Implementierung von quantensicherer Kryptografie ist entscheidend, um die Sicherheit und Privatsphäre in der digitalen Welt zu gewährleisten. Die Gesellschaft muss sich auf die Ankunft von Quantencomputern vorbereiten, indem sie in Forschung und Entwicklung investiert und gleichzeitig bestehende Sicherheitssysteme überprüft und aktualisiert.