STX – Stencil- und Tensor Beschleuniger

Der Stencil- und Tensor Beschleuniger (STX) ist ein Projekt, geleitet von einem Team des Fraunhofer ITWM, bei dem wir gemeinsam mit unseren Partnern energieeffiziente Supercomputersysteme auf Basis von europäischer Technologie entwickeln. Im Mittelpunkt steht ein konsequenter Hardware Software Co-Design Ansatz. Zusammen mit unserem SpinOff – der UNEEC Systems GmbH – soll europäische Supercomputertechnologie eine weltweite Führungsrolle einnehmen.

Dabei greifen wir auf die neuste RISC-VOpen Source Hardware Entwicklungen zurück. Unser holistischer Ansatz umfasst eine eigene System-on-Chip-Architektur – von der PCIe Karte (Peripheral Component Interconnect Express, Deutsch: Expressverbindung peripherer Komponenten) bis hin zum kompletten HPC-Rack. Durch den Co-Design-Ansatz verbindet das STX-Systemkonzept eine innovative Architektur, höchste Energieeffizienz und einfache Programmierbarkeit für hochparallele Simulationsanwendungen.

Energieeffizienter Beschleuniger für Digitale Zwillinge

Simulationen sind inzwischen ein wichtiger Bestandteil beim Entwickeln, Überwachen und Analysieren von Produkten und Prozessen. Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie kommen sie zum Einsatz, um komplexe Zusammenhänge oder Wechselwirkungen zu berechnen und vorherzusagen – sei es im Bereich der Ingenieurswissenschaften bei der Produktion von effizienten Windkraftanlagen, strömungsdynamisch optimierten Fahrzeugen oder im Bereich der Klima- oder Wettervorhersagen sowie beim Entdecken neuer Materialen oder Medikamente.

Diese Berechnungen bilden die Wirklichkeit möglichst genau digital ab und benötigen dazu zunehmend leistungsfähige Supercomputer. Trotz der immer kleiner werdenden Technologien in der Chipentwicklung erhöht sich die Leistungsaufnahme der Systeme. Die schnellsten Supercomputer liegen hier schon bei über 20 Megawatt.

Um auch in Zukunft mehr Leistung bereitzustellen, wird im hohen Maße auf den Einsatz von Beschleunigerhardware gesetzt. Diese bieten für parallele Anwendungen viele Leistungs- und Effizienzvorteile. Allerdings begegnen uns dabei folgende Herausforderungen:

• Der Fokus der Technologien verschiebt sich in Richtung Künstliche Intelligenz.
• Unternehmen billigen Effizienzverluste, um weiterhin hohe Leistungszuwächse bei neuen Hardwaregenerationen anbieten zu können.
• Die Skalierung der neuen Chipfertigungstechnologien bietet deutlich weniger Verbesserungen bei der Energieffizienz als noch ältere Technologien.
• Es fallen kontinuierlich steigende Kosten für das Design und die Fertigung an.

STX – Umfangreiches Systemkonzept

Hier setzt die Entwicklung unseres STX-Systems an. Unsere langjährige Erfahrung im Bereich »High Performance Computing« (HPC) am Fraunhofer ITWM nutzen wir, um ein komplettes Systemkonzept zu entwickeln – angefangen bei einer eigenen hoch-leistungsfähigen Prozessorarchitektur bis hin zum Gesamtsystem. Dabei profitieren wir zusätzlich von den Open Source Technologien im Bereich Hardware und Software, die über die letzten zehn Jahre deutlich an Intensität und Reife gewonnen haben. Hervorzuheben ist der freie RISC-V Instruktionssatz, welcher von der ETHZ Pulp Architektur genutzt wird. Auf diese Arbeiten bauen wir auf und entwickeln ein komplettes System-On-a-Chip (SoC), Design (Technologie GlobalFoundries 12LPP), eine PCIe Gen5 basierte Einsteckkarte, einen Rack-Einschub sowie das Gesamtsystem.