LHC-Computing Grid Ein Blick in die Zukunft des Internet

Im Jahr 1989 hatte Tim Barners-Lee am Europäischen Zentrum für Elementarteilchenforschung Cern bei Genf einen genialen Einfall: Um seinen Wissenschaftskollegen den Austausch von Forschungsergebnissen, den Zugriff auf Veröffentlichungen und die Kommunikation zu erleichtern, erfand er eine einheitliche und flexible Computersprache, die auf jedem Rechnertyp und unter jedem Betriebssystem zuverlässig funktionierte.

Knapp zwanzig Jahre nach der Entwicklung des World Wide Web haben die Forscher des Cern nun einen neuen großen Wurf vorbereitet: Das LHC-Computing Grid (LCG), ein weltumspannendes dezentrales Computernetz, das mit nahezu unerschöpflicher Rechenleistung und unermesslichen Speicherplatz aufwarten kann:

Neue Generation des Internets

Abertausende von Rechnern in rund 30 Ländern gehören dem Grid mittlerweile an. Sie sind über extrem schnelle Datenleitungen mit dem Rechenzentrum des Cern verbunden. Letzteres ist in vergangenen Jahren kräftig aufgerüstet worden. Am kommenden Freitag wird die Hochburg für Teilchenphysik nun sein Computerzentrum und die neue Generation des Internets erstmals der Öffentlichkeit präsentieren.

Ursprünglich wurde das Grid-Konzept ähnlich wie das World Wide Web damals aus einer Notlage heraus entwickelt. Der neue Teilchenbeschleuniger des Cern, der Large Hadron Collider (LHC) - derzeit durch eine Panne bis zum Frühjahr 2009 lahm gelegt, wird nämlich mehr Daten liefern, als jedes Rechenzentrum der Welt mit seinen leistungsfähigsten Supercomputern derzeit alleine bewältigen kann.

In jeder Sekunde mehr Daten als im weltweiten Telefonnetz

In dem 27 Kilometer langen Ringbeschleuniger sollen Pakete von Wasserstoffkernen mit nicht gekannter Energie 40 Millionen Mal pro Sekunde aufeinanderprallen und einen Schauer aus vielen Hundert neuer Partikeln erzeugen, die von vier gewaltigen Detektoren registriert und auf ihre Eigenschaften hin vermessen werden (siehe F.A.Z. vom 10. September). In jeder Sekunde werden dabei mehr Daten erzeugt, als derzeit jährlich im weltweiten Telefonnetz produziert werden. Eine ausgeklügelte Elektronik filtert daraus schon vor Ort die brauchbaren Messdaten und leitet diese weiter, während bereits die Signale der nachfolgenden Protonen-Protonen-Kollisionen durch die Glasfaserkabel rasen. Übrig bleibt pro Sekunde eine Datenmenge, die immerhin noch auf eine normale CD passt.

Beim routinemäßigen Betrieb rechnet man Jahr für Jahr mit 15 Millionen Gigabyte (Petabyte) an Daten. Damit könnte man Millionen von Musik-CDs bespielen, die übereinander gestapelt schätzungsweise einen Turm von 20 Kilometer Höhe ergeben würden. In dieser Datenflut wollen die rund 8000 an dem LHC-Projekt beteiligten Forscher nach Hinweisen auf die Existenz noch unbekannter Teilchen oder auf neue physikalische Phänomene suchen, die möglicherweise durch die Teilchenkollisionen hervorgerufen werden. Eine Sisyphusarbeit, die der Suche nach der berühmten Nadel im Heuhaufen gleich kommt.

Weltweites Netz

Um der Informationsflut Herr zu werden und Physikern weltweit den Zugriff auf die Daten zu ermöglichen, war das Cern gezwungen, die Daten auf viele Schultern zu verteilen und ein entsprechende dezentrale Infrastruktur zu entwickeln. Über Hochgeschwindigkeits-Glasfaserleitungen - mit Übertragungsraten von 600 Megabyte pro Sekunde - gelangen die Daten vom Cern zu zehn weltweit verteilten Knoten, die die erste Ebene des Grid bilden. Zu ihr gehören die Computerzentren in Taipeh, Vancouver, Bologna, Lyon, Amsterdam sowie am Forschungszentrum Karlsruhe, am Fermilab bei Chicago und am Brookhaven National Laboratory in New York. Die zweite Ebene des Grids wird von Universitäten und Forschungseinrichtungen gebildet, die weitere Rechenleistung und Speicherkapazität zur Verfügung stellen.

Knapp ein Fünftel der Rechenleistung stellt das Rechenzentrum des Cern, die unterste Ebene des Grids, zur Verfügung. Der Rest verteilt sich gleichmäßig auf die beiden nachgelagerten Ebenen. In Genf befinden sich auch rund 15 Prozent der gesamten Speicherkapazität. Die Rechenzentren der ersten Ebene stellen rund 55 Prozent bereit. Dort werden die am Cern gewonnenen Daten ebenfalls in komprimierter Form dauerhaft gesichert.

Bänder für die Roboter

Das Computerhirn des Cern selbst, das sich in einem unscheinbaren Gebäude befindet, besteht aus fast 9000 leistungsfähigen handelsüblichen Rechnern, viele ähneln dem PC zu Hause. Die meisten sind flache schwarze Kästen, in 3500 mannshohen Regalen platzsparend untergebracht. Ein ausgeklügeltes Kühlsystem bewahrt die Maschinen vor Überhitzung. "Wir haben hier Speicherplatz für insgesamt fünfzehn Millionen Gigabytes", sagt Wolfgang von Rüden, einer der Leiter der IT-Abteilung des Cern. "Das reicht aber gerade mal für ein Jahr Messzeit."

Die Daten werden deshalb auf Bänder geschrieben, die in staubfreien Zellen aufbewahrt und von Roboterarmen verwaltet werden. Noch werden die Bits und Bytes nur testweise durch die Glasfaserleitungen gejagt. Die Feuerprobe müssen das Rechenzentrum und das Computergrid im kommenden Jahr bestehen, wenn erstmals Protonen gegensinnig im Large Hadron Collider umlaufen und mit voller Wucht kollidieren.

Sollte sich das Konzept des Grids bewähren, könnte abermals eine Erfindung des Cern zu einer Innovation im IT-Bereich führen. Über den eigenen PC wäre dann jedermann von zu Hause aus in der Lage, auf einen Supercomputer eines Rechenzentrums zuzugreifen. Am kommenden Freitag wird man am Cern erstmals eine Ahnung bekommen können, wie die Zukunft des World Wide Web ausehen wird.