"RACKlette ist für mich wie eine zweite Familie"

Um die enorme Rechenleistung möglichst effizient nutzen zu können, müssen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler darauf achten, dass die Computer richtig miteinander kommunizieren. Das erfordert ein Umdenken hinsichtlich der Probleme und wie wir diese formulieren. Es erfordert auch Änderungen beim Schreiben der Algorithmen.

Von der Theorie zur Praxis

Anhand eines verkleinerten Nachbaus des CSCS-Supercomputers im Tessin lernen die Studierenden des Teams RACKlette, wie sie diese Probleme lösen und HPC-Anwendungen auf einem echten Supercomputer betreiben können.

«Der Cluster, den sie verwenden, ähnelt dem in Lugano», erklärt Hussein Harake. «Er läuft auf die gleiche Weise, mit der gleichen Kommunikationsgeschwindigkeit zwischen den Knoten der Systeme, nur mit einer geringeren Anzahl von Computern.» In den Wochen vor den internationalen Supercomputing-Wettbewerben hat Harake fast täglich Kontakt zu den Studierenden, unterstützt sie technisch mit dem Cluster und gibt ihnen Hinweise zur Problemlösung. Er führt die Arbeit aber nie an ihrer Stelle aus.

Die enge Interaktion mit dem CSCS gibt den Teammitgliedern die Möglichkeit, mit Technologien zu arbeiten, auf die sie sonst keinen Zugriff hätten. «Dadurch konnte ich viel besser verstehen, wie die Dinge funktionieren, wie diese Computer aussehen und wie die Technologie entwickelt wurde, um riesige Simulationen so schnell durchzuführen», sagt Faveo Hörold, seit 2021 Mitglied des Teams.

Zudem verbindet die Interaktion mit dem CSCS die Informatikforschung am Scalable Parallel Computing Laboratory von Professor Torsten Hoefler an der ETH Zürich mit der operativen oder eher praktischen Seite des Supercomputings am CSCS. Die Studierenden, die von Professor Torsten Hoefler und Hussein Harake betreut werden, profitieren enorm davon, HPC aus beiden Perspektiven kennenzulernen. Es gebe bereits «viele vielversprechende Ingenieurinnen und Forscher im Team», meint Hussein Harake. Sie entdecken die Wissenschaft dahinter, aber lernen auch direkt, wie HPC zur Lösung realer Probleme eingesetzt werden kann. Auf Konferenzen, an Wettbewerben und im Kontakt mit ihren Betreuenden erhalten sie die für Bachelor-Studierende in der Regel seltene Gelegenheit, internationale Expertinnen und Experten aus dem HPC-Bereich kennenzulernen.

«Teil des Teams zu sein, an diesen Konferenzen teilzunehmen, mit Expertinnen und Professoren zu sprechen, ist für uns eine einzigartige Erfahrung», bestätigt Faveo. Demnächst nimmt er an seinem letzten Wettbewerb teil, und obwohl er erst kürzlich mit dem Master begonnen hat, verfügt er bereits über gute Kontakte in der Welt des HPC. «Ich werde ein Praktikum am Forschungsinstitut Riken in Japan machen, das über einen der grössten und schnellsten Supercomputer der Welt verfügt. RACKlette öffnet uns viele Türen zu Praktika und Jobs in Industrie und Forschung.»

Kommunikation ist zentral

Für ein erfolgreiches Team ist, genauso wie für HPC, eine gute Kommunikation wichtig. Da die meisten Studierenden vor ihrem Einstieg bei RACKlette sehr wenig über HPC wissen, besteht ein grosser Teil der Aufgaben des Teams neben der Vorbereitung auf Wettbewerbe darin, Wissen weiterzugeben und neue Mitglieder über die parallele Datenverarbeitung sowie verschiedene spezifische und technische Themen zu unterrichten.

«Im Team ist viel Fachwissen vorhanden», betont Hannes Eberhard. Es ist wichtig, neue Mitglieder so schnell wie möglich an Bord zu holen. Neben der Pflege einer grossen Online-Wissensbasis treffen sich die Teammitglieder regelmässig zu selbst organisierten Meetings und Workshops. Jene, die bereits über mehr Erfahrung verfügen, organisieren Vorträge und Übungen oder laden CSCS-Expertinnen und -Experten ein, die dem gesamten Team wichtige Themen und Technologien erklären. Alle sind sich einig: Fragen zu stellen, ist eine der wichtigsten Kompetenzen, die sie zu Beginn entwickeln müssen. «Ein grosser Teil der Lernerfahrung ist es, den richtigen Leuten die richtigen Fragen zu stellen. Wir sollten uns häufig zu viel mehr Fragen überwinden, auch wenn das manchmal unangenehm ist. Diese Mentalität unterscheidet sich von der, die wir als Studierende gewohnt sind», erklärt Alexander Sotoudeh.

Neben HPC-spezifischem Fachwissen vermittelt die Mitarbeit im Team auch nützliche Kompetenzen wie Führung und Community Management, Wissenstransfer oder Eventorganisation. Die Mitglieder erhalten dadurch auch eine neue und multidisziplinäre Perspektive auf das, was sie in ihren Bachelor-Lehrveranstaltungen lernen. «An der Uni», findet Niklas, «haben wir nicht viel über HPC gelernt, es sei denn, wir wählten spezifische Kurse zum Thema.» Das Team hat für ihn einen grossen Unterschied gemacht und er belegt nun Kurse über HPC und Parallel Computing, die er sonst nicht belegt hätte, und denkt darüber nach, in seinem Studium neue Wege zu gehen, die er noch vor ein paar Jahren nicht für möglich gehalten hätte.

Teil von RACKlette zu sein, ist für die jungen Studierenden auch eine bereichernde persönliche Erfahrung. Sie lernen viel, entdecken neue Wissenschaftsgebiete, aber vor allem treten sie einer Gemeinschaft von Freunden und Kolleginnen bei, mit denen sie auch nach ihrer Zeit im Team noch vieles teilen werden. So wird Marcel Ferrari weiterhin neue Mitglieder unterstützen und ausbilden, mit dem Ziel, eines Tages selbst Betreuer zu werden. «Mit Menschen zusammenzuarbeiten, die das gleiche Interesse und die gleiche Leidenschaft für HPC teilen, war eine grossartige Erfahrung und Chance», sagt er. «Der ISC23-Wettbewerb war mein dritter und letzter, aber RACKlette-Mitglied zu sein, ist mehr als nur ein Wettkampf: RACKlette ist für mich wie eine zweite Familie.»

Internationale Studierendenwettbewerbe

Das Team besteht aus rund zwanzig Bachelor-Studierenden (und einigen Studierenden zu Beginn ihres Masters), die an der ETH Zürich Informatik oder Rechnergestützte Wissenschaften studieren.

Neben dem Unterrichten neuer Mitglieder in HPC ist es ihr Hauptziel, sich während des Jahres auf zwei Wettbewerbe vorzubereiten: die Student Cluster Competitions der International Supercomputing (ISC) und der Supercomputing (SC). Für jeden Wettbewerb erhalten sie eine Reihe von Aufgaben, die die Durchführung von Simulationen mit neuen wissenschaftlichen Anwendungen erfordern. Sie müssen ein System aufbauen, das diese Anwendungen so effizient wie möglich ausführt, und anhand einer Reihe von «Benchmarks», also Standard-Performance-Metriken, die Qualität ihrer Konfiguration beurteilen.

Einen grossen Teil der Vorbereitung macht das sogenannte «System Engineering» aus: In den drei Monaten vor dem Event muss das Team seinen Cluster optimal aufstellen und entscheiden, wie die Arbeitslast innerhalb des Systems verteilt werden soll. Anschliessend führen sie die Anwendungen mit unterschiedlichen Konfigurationen mehrmals aus, bis sie die beste Performance erreichen. Sie erhalten auch Zugang zu Cloud-basierten Clustern, die von führenden internationalen Rechenzentren bereitgestellt werden, wo sie dieselben Anwendungen betreiben und unterschiedliche Probleme lösen müssen. Während des Wettbewerbs führen sie schliesslich in Echtzeit die Leistungsfähigkeit ihrer Konfiguration vor: Mit den gleichen Anwendungen, aber unterschiedlichen Datensätzen müssen sie ihr System erneut optimieren, um eine ähnliche Leistung wie in der Trainingsphase zu reproduzieren.

Erfolgreich auf der ISC23

Faveo Hörold, Marcel Ferrari, Hannes Eberhard, Sophia Herrmann, Nicolà Lohr und Alexander Sotoudeh haben die ETH Zürich im vergangenen Mai erfolgreich bei der ISC Student Cluster Competition 2023 in Hamburg vertreten. Sie belegten den dritten Platz in der Gesamtwertung und gewannen den begehrten LINPACK Award, der das schnellste Computersystem auszeichnet.

In diesem Jahr mussten die Teams mehrere Anwendungen aus unterschiedlichen Bereichen ausführen: «FluTAS», eine Strömungssimulation; «POT3D», eine Software zur Lösung von Magnetfeldpotenzialen grosser Himmelskörper wie Planeten oder Sternen; und «Quantum Espresso», eine Reihe von Tools für quantenchemische Berechnungen.

Neben dem während der Vorbereitung und des Wettbewerbs erworbenen Fachwissen – und dem Stolz auf die guten Resultate – begeisterte die jungen Teammitglieder der persönliche Austausch und die Erfahrung, als Team gelernt und gute Leistungen erbracht zu haben. Sophia Herrmann nahm an ihrem ersten Wettkampf teil. Sie freute sich besonders über den Teamgeist und war erstaunt darüber, wie sie die Herausforderungen des Wettbewerbs meisterte. «Ich habe gemerkt, dass ich viel mehr erreichen kann, als ich mir zutraute», erinnert sie sich. «Der Wettbewerb hat mich dazu gebracht, meine Grenzen zu überwinden, und obwohl es manchmal einschüchternd war, bin ich unendlich froh, dass ich teilnehmen durfte. Vor allem an der Seite solch hilfsbereiter Teammitglieder und guter Freunde.» Nicolà Lohr, der auch zum ersten Mal dabei war, beschreibt eine einmalige Gelegenheit, neue Menschen aus der ganzen Welt kennenzulernen und Kontakte zu knüpfen, die für seine spätere Karriere von Nutzen sein könnten.