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08 Nov 2017

Neuronale Netze sind eigentlich ein alter Hut

„Neuronale Netze sind eigentlich ein alter Hut“

Ohne Supercomputer gäbe es keinen Wetterbericht und kein Star Wars im Kino. Die meisten dieser Rechenmonster sind aber mit ganz anderen Aufgaben betraut.   Rudolf Lohner, Mathematikprofessor am Steinbuch Centre for Computing (SCC) und an der Fakultät für Mathematik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zu Supercomputern in Deutschland und der Entwicklung von Künstlicher Intelligenz.

Frage: Wie schlagen sich Ihre Hochleistungsrechner vom Typ ForHLR im Vergleich zu den Top-Superrechnern wie Sunway, Tianhe-2 und Sequoia?

Rudolf Lohner: Unser Forschungshochleistungsrechner ForHLR am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat eine Peak-Rechenleistung von ca. 1 PetaFlops/sec. Das sind eine Billiarde, also zehn hoch fünfzehn Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Das ist natürlich deutlich weniger als die aktuell führenden Rechner in den ersten Rängen der Top500-Liste, die bereits an die 100 PetaFlops herankommen. Immerhin steht der ForHLR in der aktuellen Liste von November 2017 noch auf Platz 320 und stand nach seiner Inbetriebnahme in der Juni-Liste 2016 auf Platz 126.

Frage: Für welche Aufgaben haben Sie denn die ForHLR gebaut? Was berechnen Sie damit?

Rudolf Lohner: Für die Forscher am KIT und darüber hinaus stellt der ForHLR dennoch ein mächtiges Werkzeug für ihre wissenschaftlichen Berechnungen dar. Der ForHLR wurde jeweils zur Hälfte vom Bund und vom Land Baden-Württemberg finanziert und wird von den Wissenschaftlern im Land in einer Vielzahl von Forschungsdisziplinen eingesetzt. Das KIT ist eine technisch orientierte Forschungsuniversität und ist in den Natur- und Ingenieurswissenschaften sehr stark vertreten. Dem entsprechend ist das Spektrum an Anwendungen und Simulationen, die auf dem ForHLR berechnet werden, sehr vielfältig: Wetter- und Klimasimulationen, Energieforschung, Materialforschung, Nano- und Mikrotechnologie, komplexe Molekülsimulationen, wie Proteinfaltung, Astrophysik, Simulation von Höhenstrahlung, oder Strömungsvorgänge in vielen technischen Bereichen, etwa bei Strömungsmaschinen, Verbrennungsvorgängen, Umströmung von Fahrzeugen, etc. Dies sind nur einige Beispiele für die zahlreichen Möglichkeiten, die dieser Rechner den Forschern bietet.

Frage: Ein Supercomputer wie der Tianhe 2 verbraucht rund 18 Megawatt. Alternativ könnte man auch eine Stadt mit 180 000 Glühbirnen à 100 Watt beleuchten. Wie schlägt sich der ForHLR II dagegen?

Rudolf Lohner: Naja, Glühbirnen sind ja mittlerweile in der EU out, jedenfalls die 100-Watt-Boliden. Aber ganz abwegig ist der Vergleich nicht: Im Grunde genommen kann man einen solchen Rechner wie einen riesigen Tauchsieder betrachten – am Ende wird der gesamte Strom, den er verbraucht, vollständig in Wärme umgewandelt. Dass er dabei auch noch rechnet, ist aus dieser Sicht ein reiner Nebeneffekt. Das Problem ist, dass fast niemand versucht, diese enormen Mengen an Abwärme einigermaßen sinnvoll zu nutzen. Vielmehr wird sogar noch zusätzliche Energie aufgewendet, um diese Abwärme wegzuschaffen, zum Beispiel durch den Einsatz von stromintensiven Kältemaschinen.

Beim ForHLR gehen wir deshalb neue Wege. Der Rechner hat eine Anschlussleistung von ungefähr 450 Kilowatt und benötigt bei guter Auslastung im Dauerbetrieb knapp 400 Kilowatt. Das Besondere ist nun, dass wir einen Großteil der Abwärme mittels einer Warmwasserkühlung abführen. Hierzu wird ca. 40°C warmes Wasser in die Server geleitet, das sich über die CPU-Kühler und an anderen heißen Chips weiter erwärmt und mit ca. 45°C wieder die Server verlässt. Dieses Temperaturniveau von 45°C hat nun den Vorteil, dass wir im Winter mit der Rechnerabwärme bequem unser Bürogebäude beheizen können. Im Sommer kann die Abwärme über trockene Rückkühler auf dem Dach des Rechenzentrums wieder auf 40°C herunter gekühlt werden, ohne dafür zusätzliche Kälteenergie zu benötigen. Dies funktioniert auch in sehr heißen Sommern, wo es in Karlsruhe durchaus bis zu 40°C warm werden kann.

Einige Komponenten, wie Speichersysteme und Netzwerkswitche müssen wir noch klassisch mit Kaltluft kühlen. Das Kaltwasser hierfür beziehen wir aus einem benachbarten Blockheizkraftwerk, das mittels Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mit einer Absorptionskältemaschine wesentlich effizienter arbeitet als elektrisch betriebene Kompressionskältemaschinen. Für dieses innovative Gesamtkonzept wurden wir übrigens im April 2017 mit dem Deutschen Rechenzentrumspreis ausgezeichnet: Wir erhielten den ersten Preis in der Kategorie „Neu gebaute energie- und ressourceneffiziente Rechenzentren“. Diese Auszeichnung ist für uns eine Bestätigung, dass wir den richtigen Weg eingeschlagen haben und ein Ansporn, bei künftigen Rechnern noch effizientere Ansätze zu suchen.

Frage: In der Liste der Top 500 befinden sich gerade einmal 21 Superrechner aus Deutschland, der schnellste mit Hazel Hen aus dem Forschungszentrum Jülich schafft es gerade einmal auf Platz 19. Länder wie die Schweiz, Spanien und Italien haben schnellere Systeme. Ist das für den Wirtschafts- und Wissenschaftsstandort Deutschland ein Nachteil?

Rudolf Lohner: Der Hazel Hen vom HLRS in Stuttgart, steht in der Tat „erst“ auf Platz 19. Allerdings sind unter den ersten 100 Systemen in dieser Liste neun Rechner aus Deutschland, also eigentlich kein schlechtes Ergebnis. Man muss auch berücksichtigen, dass in den rund 5 bis 6 Jahren, die solche Rechner üblicherweise betrieben werden, die Leistung sehr schnell von neueren Systemen überholt wird. In Deutschland haben wir mit Jülich, Stuttgart und München drei Bundeshöchstleistungsrechenzentren, die bisher regelmäßig, wenn dort ein neuer Rechner installiert wurde, unter den Top-10 vertreten waren. Ich sehe hier keinen Standortnachteil für Deutschland, wenn die Politik die Förderung des Hochleistungsrechnen weiterhin unterstützt und sich dabei an den internationalen Standards orientiert.

Frage: Experten beziffern die Leistung des menschlichen Gehirns mit rund 1 Exaflop (1.000 Petaflops). Viel mehr also, als die derzeit schnellsten Computer der Welt. In vielen Bereichen wie Schach, Go oder Jeopardy, lassen Computer aber Menschen längst keine Chance mehr. Wie passt das zusammen? Oder ist die Annahme dieser Leistung einfach falsch?

Rudolf Lohner: Die Leistung des menschlichen Gehirns in Gleitkommaoperationen, also Flops, zu messen, halte ich persönlich für zumindest irreführend, insbesondere, da wir ja nicht wirklich wissen, wie genau das Gehirn tatsächlich funktioniert. Man darf nicht übersehen, dass die Leistungen, die Computer heute in den von Ihnen erwähnten Bereichen bringen, sich eben „nur“ auf diese Teilbereiche beziehen. Das menschliche Gehirn ist aber unvergleichlich viel breiter aufgestellt. Wenn Sie etwa ansehen, was ein kleines Kind in seinen ersten zwei Jahren lernt und an Wissen und Können entwickelt, dann sehen Computer immer noch sehr dumm dagegen aus.

Frage: Supercomputer kommen immer mehr zur Simulation von neuen Waffen, Prototypen und Medikamenten zum Einsatz. Können sie tatsächlich bereits „echte“ Versuche vollständig ersetzen?

Rudolf Lohner: Echte Versuche wird man wohl nie vollständig ersetzen können, da es in der Realität immer Unregelmäßigkeiten gibt, die im Modell und der Simulation nicht berücksichtigt werden können. Allerdings ist man oft in den Modellen und der Simulation bereits so genau, dass dies für die Anwendungen völlig ausreicht. Beispielsweise werden Crashtests bei Autos heute vorwiegend durch Simulationen berechnet. Trotzdem wird kein neues Modell zugelassen werden, ohne mindestens einige echte Crashtests absolviert zu haben.

Ein entscheidender Vorteil von Simulationen ist weniger das Ersetzen von Versuchen, sondern vielmehr die Möglichkeit, Vorgänge zu erforschen, bei denen Versuche prinzipiell unmöglich sind. Hierzu gehören etwa Simulationen in der Astronomie, wie die Entstehung von Galaxien, Sonnensystemen, Sternentwicklungen oder geologische Vorgänge wie Erdbeben, Vulkanismus und vieles andere. Auch ist eine Simulation gleichermaßen wie ein Mikroskop: Man kann jedes Detail in einem simulierten Objekt bis in die kleinsten Feinheiten beobachten, da man diese ja alle in der Simulation berechnen muss.

Frage: Das neue Lieblingsthema der Hightech-Branche: künstliche Intelligenz. Besonders auf neuronalen Netzen basierende Systeme soll die Zukunft gehören. Diese sollen sogar in der Lage sein in naher Zukunft Probleme zu lösen, an denen die Menschheit seit Jahrhunderten scheitert. Sind Sie ähnlich optimistisch?

Rudolf Lohner: Neuronale Netze sind eigentlich ein alter Hut. Bereits Karl Steinbuch, den wir als Namensgeber für unser Steinbuch Centre for Computing gewählt haben, hatte diese unter der Bezeichnung „Lernmatrix“ in den frühen 1960er-Jahren an der Universität Karlsruhe entwickelt. Der aktuelle neue Höhenflug der neuronalen Netze beruht darauf, dass man mittlerweile enorme Mengen an Hardware dafür einsetzt und diese Netze mit riesigen Datenmengen trainiert. Dies führt offensichtlich in verschiedenen Bereichen dazu, dass man sehr große Erfolge damit erzielen kann, etwa bei Bilderkennung und Spracherkennung. Die Kehrseite der Medaille ist allerdings, dass niemand weiß, wie und warum neuronale Netze das leisten, was sie leisten. Entscheidend ist das extrem umfangreiche Lernmaterial, mit dem diese Systeme trainiert werden.

Hier komme ich wieder auf meinen Vergleich mit einem Kleinkind zurück: Neuronale Netze benötigen Unmengen an Trainingsmaterial, um beindruckende Leistungen zu erbringen, Kleinkinder lernen mit minimalem Aufwand noch beeindruckendere Dinge. Wie viele Katzen und Hunde muss man einem Kind zeigen, damit es lernt, Katzen von Hunden zu unterscheiden? Ein neuronales Netz benötigt hier Unmengen an Daten, um halbwegs vernünftige Ergebnisse zu erzielen. Die Probleme, an denen die Menschheit seit Jahrhunderten scheitert, werden meiner Meinung nach in absehbarer Zeit eher nicht von neuronalen Netzen gelöst werden, da diesen schlicht ein umfassendes Verständnis unserer hochkomplexen Welt fehlt.

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  • „Ich komme schon viele Jahre zur Ihren Messen und auch dieses Jahr wurde wieder eine große Auswahl an Vorträgen angeboten, deren Vielschichtigkeit ich sehr wertvoll finde. Man nimmt hier so viele Gedankenanstöße und Impulse mit.“
    Ergo Direkt - Speaker Generation Systems
  • „Insgesamt fand ich die TechWeek sehr informativ und ich würde auch nächstes Jahr wieder teilnehmen. Mein Ziel ist es den Markt etwas zu evaluieren und mir die Anbieter anzusehen. Aber auch die Vorträge fand ich sehr interessant bezüglich neuester Technologien, vor allem um Ideen für die eigene Umsetzung zu sammeln.“
    MDM Deutsche Münze - Head of BI
  • „Auf der TechWeekl können wir gezielt und branchenbezogen Kunden ansprechen und auf diesem Weg ist es natürlich einfacher den Kontakt zum Kunden zu suchen. Für mich ist die TechWeek cool, laut und speziell.“
    Cubeware
  • „Ich finde es sehr überraschend, dass es so breit aufgestellt ist, vor allem, weil ich ohne Erwartungen hierher gekommen bin. Ich habe einen Business Intelligence und Devops Hintergrund und habe hier glücklicherweise viele spannende und für mich relevante Stände entdeckt.“
    Project Manager - Siemens
  • „Die TechWeek ist innovativ, visionär und neuartig. Man kriegt einen Blick in die Zukunft und denkt mit einer gewissen Offenheit.“
    Aviationscouts GmbH - IT Consultant
  • Ich bin schon länger in der Branche unterwegs und kenne mich dadurch natürlich gut aus. Alle, die im Bereich Technologie unterwegs sind und im Markt was zu sagen haben, sind auf der Tech Week vertreten.
    TechTarget GmbH - Sales Director
  • Die TechWeek ist innovativ, gelungen und international. Mann könnte sagen, sie ist eine Art Klassentreffen in der Technologiebranche.
    Corning Optical Communications GmbH & Co. KG - Key Account Manager
  • Wir sind schon seit Jahren dabei und haben auch dieses Jahr natürlich nicht verpasst. Wir treffen hier auf unsere Kunden und Neuinteressenten und treiben auch unsere Produktentwicklung voran.
    1&1 IONOS - Senior Commercial Product Manager
  • Die Messe wird von einem guten Publikum besucht und es werden viele unterschiedliche aber eben auch relevante Themen angesprochen. Für uns ist sehr wichtig, dass Entscheidungsträger anwesend sind mit denen wir interagieren können. Dafür ist die Messe besonders gut geeignet.
    TeamViewer GmbH - Senior Product Marketing Manager Enterprise
  • Wir stellen in ganz Europa auf der TechWeek aus und sind jahrelanger Partner, deshalb sind wir auch dieses Jahr dabei. Die TechWeek zieht ein gutes Publikum an und das war auch immer in den letzten Jahren so. Wir haben hier einen schönen Stand, es ist ein gutes Programm und viele Vorträge.
    NTT Communications - Marketing Director