Science@home Millionen Rechner können nicht irren

Unter Supercomputern stellt man sich meist Hochleistungsrechner nach dem Vorbild des Cray vor, Maschinen mit riesigen Prozessoren, die ganze Kellerräume füllen - unerreichbar für die meisten, auch für viele Wissenschaftler nicht bezahlbar. Stolz wurde deshalb in der vergangenen Woche in Garching bei München das neueste deutsche Exemplar vorgestellt. Dort war für das Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften ein neues Gebäude errichtet worden. Mit 26 Billionen Rechenoperationen (Teraflops) in der Sekunde sticht die 38 Millionen Euro teure Maschine mit dem Namen HLRB II den bisherigen deutschen Spitzenreiter JUBL in Jülich mit seinen 46 Teraflops zwar noch nicht aus. Aber nach einer geplanten Erweiterung auf 69 Teraflops im nächsten Jahr wird er das schaffen. Beim internationalen Ranking, das halbjährlich die 500 schnellsten Rechner der Welt auflistet, ist Garching jetzt unter den besten zwanzig, Jülich belegt Platz acht.

Supercomputer kann aber auch bedeuten: mein Rechner und dein Rechner und der deines Freundes und deines Kollegen und der von dessen Bekannten in China und dessen Freund in Afrika und so weiter. Das Zauberwort heißt hier schlicht "und". Denn Rechenpower liegt eigentlich auf der Straße oder steht, besser gesagt, auf den allermeisten Schreibtischen. Mehrere hundert Millionen Computer sind via Internet verbunden. Und die meisten davon sind chronisch unterbeschäftigt. Personalcomputer sind im Durchschnitt nur zu etwa 30 Prozent ausgelastet, der Rest ihrer Rechenkapazität bleibt ungenutzt.

Seti@home war der Anfang

Die Idee, all diese verteilte Rechenleistung zu bündeln und für Forschungsaufgaben zu nutzen, ist schon so alt wie das Internet selbst. Ende der neunziger Jahre starteten Wissenschaftler im amerikanischen Berkeley mit Seti@home das sicher populärste Projekt dieser Art. Auf der Suche nach außerirdischem Leben (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) analysieren mittlerweile eine halbe Million Rechner in der ganzen Welt Stück für Stück Datenmassen, die Radioteleskope in einem fort dem Weltraum ablauschen und mit denen die Wissenschaftler allein gar nicht fertig werden würden. "Ungeheure Datenmengen sind heute eines der wesentlichen Probleme in Forschung und Industrie", sagt Wolfgang Gentzsch, Experte für verteiltes Rechnen an der amerikanischen Duke University. Einige Dutzend Forschungsvorhaben aus den verschiedensten Bereichen nutzen daher inzwischen in sogenannten @home-Projekten private Rechner als Ressource.

Das Prinzip, das dahintersteckt, ist einfach: Jeder, der einen PC und einen Internetanschluß hat, kann mitmachen. Er sucht sich ein Projekt seiner Wahl aus und muß sich nur noch die nötige Software herunterladen. Die Forscher stellen dafür einen zentralen Computer zur Verfügung, der einzeln zu bearbeitende Datenpakete bereithält und die rückgesendeten Ergebnisse analysiert. Die Kommunikation zwischen diesem Server und den vielen "Clients", wie die teilnehmenden PCs auch heißen, steht im Mittelpunkt. Sie wird von einer speziellen Software geregelt, wie sie zum Beispiel auf der Plattform BOINC frei erhältlich ist. Mit ihrer Hilfe holt sich der Client, wann immer es ihm paßt, häppchenweise neue Aufgaben vom Server und sendet die Ergebnisse nach getaner Arbeit zurück.

Nutzer merkt kaum etwas davon

Im Prinzip merke der Nutzer kaum etwas davon, wenn sein Rechner nebenbei noch im Dienste der Wissenschaft steht, sagt Francois Grey vom Cern in Genf. Auch die Sicherheit des Systems sei auf dem aktuellsten Stand. Um Datenmanipulationen oder fehlerhafte Auswertungen auf den Clientrechnern auszusortieren, werden alle Aufgaben zweimal an voneinander unabhängige Rechner verschickt. Nur wenn das Ergebnis übereinstimmt, wird es auch gewertet.

Als Geburtsort des World Wide Web ist das europäische Kernforschungszentrum Cern eine der treibenden Kräfte bei der Fortentwicklung des verteilten Rechnens. Hier wurde auch die Idee für das jüngste Projekt geboren: Africa@home. Im Rahmen dieses Projektes soll eine Infrastruktur für Wissenschaftler geschaffen werden, die sich mit afrikanischen Problemen beschäftigen. Die ersten Aufgaben für Afrika@home liefern Tom Smith und Nicolas Maire, Bioinformatiker vom Swiss Tropical Institute in Basel. Sie erforschen die epidemiologische Verbreitung von Malaria in Afrika. Dazu wollen sie mit Hilfe mathematischer Modelle erst einmal verstehen, wie sich die Krankheit auf natürlichem Wege verbreitet, um dann vorhersagen zu können, welchen Einfluß bestimmte Schutzmaßnahmen wie Impfungen verschiedener Dosierung oder Moskitonetze haben.

Daten müssen „zerleg“ bar

Bei ihrer Modellbevölkerung von einhunderttausend Menschen variieren die Forscher gezielt eine große Anzahl von Parametern. Immer wieder müssen mit jeweils anderen Zahlen die gleichen Rechnungen durchgeführt werden, um schließlich im Vergleich mit realen Meßdaten ein möglichst stimmiges Modell zu bekommen. "Das ist ein ganz typisches Problem, das sich wunderbar mit der Methode des verteilten Rechnens bearbeiten läßt", sagt Wolfgang Gentzsch. Denn es kann in viele gleichwertige Einzelschritte zerlegt werden, die unabhängige Rechner auch mit kleinerer Leistung problemlos bearbeiten können. Vor zwei Wochen gingen die Schweizer mit Africa@home an die Öffentlichkeit. Im Nu waren die anvisierten 6000 freiwilligen Helfer, die ein einzelner Server verkraften kann, rekrutiert. "Die Leute reißen sich geradezu um die Teilnahme", sagt Francois Grey, der das Projekt koordiniert.

Allerdings: "Gratis, wie es auf den ersten Blick scheint, ist die viele Rechenpower dann doch nicht", sagt Nicolas Maire. Die Wissenschaftler müssen sehr wohl investieren. Sie müssen ihre eigene Software an die neue Infrastruktur anpassen und den Helfern ihre Häppchen vorbereiten. "Vor allem aber müssen wir mit ihnen kommunizieren", sagt Maire. Dabei gehe es ebenso um die kleinen Malheurs, die bei ungeübten Usern auftreten, als auch darum, sie ständig über den Fortlauf der Forschungsarbeit zu informieren. Denn, so sagt Maire, die meisten fühlten sich wirklich als Teil des Projekts und diskutierten lebhaft mit.

Öffentlichkeit an der Wissenschaft beteiligt

Die Öffentlichkeit in dieser Form direkt an Wissenschaft zu beteiligen, ist für Dave Anderson, den Direktor von Seti@home, eine Hauptmotivation für seine Arbeit. Als Entwickler der Kommunikationsplattform BOINC hat er entscheidenden Anteil an der weiteren Verbreitung der @home-Projekte, die alle kostenlos darauf zugreifen können. Vom technischen Standpunkt her liegen in der Kommunikation die größten Herausforderungen für die Zukunft. Immer größere Teilnehmerzahlen mit den unterschiedlichsten Rechnertypen müssen sicher miteinander verbunden werden. Entscheidend werde aber in Zukunft sein, sich die vorhandenen Ressourcen auch zu sichern, sagt Anderson. Denn jeder PC-Nutzer kann wählen, wem er seine Rechenkraft zur Verfügung stellen will. Hier kämen auf kleinere Non-Profit-Projekte aus Universitäten große Herausforderungen zu, um sich gegen kommerzielle Projekte, wie sie beispielsweise von IBM unter dem Namen "world community grid" betrieben werden, durchzusetzen.

Trotz des großen Optimismus in der @home-Community wird der Supercomputer, der übrigens längst nicht mehr aus wenigen Hochleistungsprozessoren besteht, sondern aus vielen kleinen im PC-Standard, die auf extrem hohem Niveau vernetzt sind, auch weiterhin seine Berechtigung haben, sagt Wolfgang Gentzsch. Denn es gibt genug Probleme, die sich nicht so einfach in kleine, gleichberechtigte Häppchen zerlegen lassen, die man in alle Welt verschicken kann.