Van eigen chips tot exascale-supercomputer: Europa gaat concurrentie aan met Intel en Nvidia

De European High Performance Joint Undertaking moet van Europa een ware grootmacht maken in computerland. Het initiatief beoogt de katalysator te zijn voor een explosie in Tier 0-computerkracht enerzijds en de ontwikkeling van een heuse eigen chipindustrie, die kan wedijveren met wat de VS en Azië te bieden hebben anderzijds.

De eerste supercomputer uit de Europese Unie op de lijst met ’s werelds krachtigste exemplaren is de SuperMuc-NG, gehuisvest in het Leibniz Rechenzentrum in Duitsland. Het rekenmonster telt meer dan 300.000 rekenkernen, is opgebouwd rond Intel Xeon Platinum 8174-chips en werd gebouwd door Lenovo. Met een piekrekenkracht van 26 petaflops (PFlops) is het een stevige machine, maar slechts een kleuter vergeleken met de nummer één. Die kampioen, Summit genaamd, werd door IBM gebouwd voor de Amerikaanse overheid. Een combinatie van IBM Power9-chips en Nvidia Volta GV100-accelerators zijn goed voor een stevige 200 PFlops.

Europa loopt achter

Europese lidstaten komen verschillende keren voor in de top 500, die desalniettemin voornamelijk gedomineerd wordt door de VS, Japan en China. Het gros van de systemen is bovendien gebouwd door Amerikaanse bedrijven en alle systemen zijn gebaseerd op hardware van Amerikaanse bouwers, zoals Nvidia en Intel.

In de race naar de eerste exascale-computer (een supercomputer met meer dan 1.000 PFlops) staat Europa momenteel niet echt aan de startlijn. Bovendien worden supercomputers steeds belangrijker buiten de academische wereld, waardoor de EU een achterstand dreigt op te lopen tegenover het buitenland. Tot slot is de Amerikaanse dominantie in de chipmarkt een doorn in het oog van de lidstaten van de Unie.

EuroHPC

Om dat varkentje te wassen, lanceerden een aantal landen van de EU in maart van 2017 de European High Performance Joint Undertaking (EuroHPC). Dat initiatief, waar België zich onder impuls van minister voor Digitale Agenda Alexander De Croo (OpenVLD) enkele dagen later bij aansloot, heeft als ambitie om de petascale-infrastructuur binnen de EU drastisch uit te breiden, exascale naar het continent te brengen en zelf hardware te ontwikkelen die dat mogelijk maakt.

 

Europa en ook België hebben wel wat HPC-rekenkracht staan, maar echt indruk maken in de top 500 doen we vooralsnog niet.

“Het is een erg ambitieus plan”, erkent ook Geert Van Grootel, board member bij de Joint Undertaking voor België. “EuroHPC kent verschillende fases”, legt hij uit. “In eerste instantie worden er een aantal petascale-machines bijgebouwd, vooral in Oost-Europese landen.” Die hebben momenteel een achterstand als het op HPC-infrastructuur aankomt, en die wil de EU zo snel mogelijk wegwerken.

Halve prijs

Vervolgens begint het echte werk. “Het initiatief maakt ruimte voor twee à drie pre-exascale-machines. Dat zijn krachtige petascale-computers met een rekenkracht van tot de 0,3 EFlops, of 300 PFlops. Dat is meer dan Summit in de VS vandaag voor de dag kan leggen. Die systemen moeten de EU competitief maken met de andere computergrootmachten. De financiering van het project wordt gedeeld gedragen. Voor iedere euro die de Unie investeert, moeten lidstaten een eigen euro inleggen.”


Lees dit: Supercomputers voor de kmo: waarom iedere organisatie wel een HPC-systeem kan gebruiken


De rekenkracht die voortkomt uit de gesubsidieerde systemen behoort vervolgens voor de ene helft toe aan de EuroHPC Joint undertaking. De landen binnen een hosting consortium verdelen de andere helft.  .   De rekencapaciteit van de EuroHPC Joint Undertaking wordt via het Horizon 2020-programma beschikbaar gesteld voor projecten. De consortiumlanden kunnen naast de eigen rekencapaciteit dus ook deze van de EuroHPC Joint Undertaking gebruiken via projecten in Horizon 2020. Via dat mechanisme daalt voor een consortiumland de prijs van de totale rekencapaciteit onder de werkelijke kostprijs, afhankelijk van het succes bij de projectaanvragen.

De petascale-computers zullen allemaal gebouwd worden met de hulp van klassieke partners. Dat betekent dat bedrijven zoals Atos, Lenovo, HPE, Dell of IBM aan de slag mogen gaan met hardware van Intel, Nvidia, AMD of IBM om een HPC-cluster te bouwen volgens de gangbare normen om aan de Europese vereisten te voldoen. Waar die systemen zullen staan en wie hoeveel zal investeren, wordt momenteel uitgewerkt.

Call for interest

Na goedkeuring door de EuroHPC governing board op 15 januari werd de ‘call for expression of interest for the hosting of pre-exascale machines’ op 21 januari gelanceerd volgens het erg strakke tijdschema dat de EuroHPC Joint Undertaking zichzelf oplegde. Van Grootel: “Volgens deze planning moet de pre-exascale-hardware voor eind 2020 online gaan.” Het behoud van de timing is goed nieuws. “Voorafgaand aan de vergadering voor de goedkeuring waren er, zoals gebruikelijk in dergelijke complexe dossier, wel wat spanningen, maar alle plooien werden dankzij een zeer constructieve dialoog gladgestreken.”

 

De pre-exascale-hardware moet voor eind 2020 online gaan.

 

Kandidaten voor de hosting van de nieuwe supercomputers zullen nu concrete voorstellen uitwerken. Aan de hand van die voorstellen wordt, behoudens vertragingen, midden mei beslist waar de systemen zullen komen. België evalueert momenteel een mogelijke rol en kijkt naar Scandinavië voor een eventuele samenwerking. Finland heeft de leiding genomen voor de vorming van een pre-exascale consortium. Dit consortium zou meer dan 30% van de EuroHPC leden kunnen vertegenwoordigen en bundelt een zeer ruime expertise in alle domeinen van supercomputing.

Europese processors

Terzelfdertijd werkt Europa aan het European Processor Initiative (EPI). 23 partners van in totaal 10 EU-landen werken onder die koepel samen om een op en top Europese en energie-efficiënte microprocessor te ontwikkelen. “De nood aan krachtige en zuinige hardware is hoog”, legt Van Grootel uit. “Supercomputers zijn energievreters. Tenzij we nieuwe hardware fabriceren, zal een exascale-systeem letterlijk de energie-output van een kleine kerncentrale nodig hebben om te functioneren en zoiets is vandaag niet te verantwoorden.”

 

Het Airbus-verhaal illustreert als geen ander hoe Europa zich op korte tijd tot wereldwijde topspeler kan ontpoppen met een krachtig samenwerkingsprogramma.

Onder de EPI-koepel ontwerpen chipbouwers, HPC-experts en gebruikers samen HPC-hardware. Zowel de bouw van een processor als van een accelerator hoort tot de ambitie. Zo wil Europa op eigen bodem een alternatief ontwikkelen voor onder andere Intel en Nvidia. Idealiter leidt het project tot een functioneel consortium dat op wereldniveau de concurrentie aan kan. “Europa is met dit soort initiatieven niet aan zijn proefstuk toe”, legt Van Grootel uit. “In de jaren 70 leidde een gelijkaardige samenwerking tot het ontstaan van Airbus, vandaag één van de twee wereldwijde giganten in de vliegtuigsector.”

‘Intel van Europa’

Het consortium krijgt als ambitieuze taak om hardware te ontwikkelen op het niveau van Intel en Nvidia, en die dan idealiter ook nog te bouwen in fabs zoals die van TSMC of Globalfoundries. De ontwikkelingskost die gepaard gaat met zo’n plan is immens. Er is immers een reden dat er vandaag slechts een handvol echt relevante spelers op de markt zijn.

“We mogen onszelf niet onderschatten”, vindt Van Grootel. “Europa is vandaag al heel sterk in de ontwikkeling van onder andere sensoren voor IoT en slimme wagens. De beste spelers ter wereld zitten bij ons. Als we die kennis kunnen combineren met de capaciteit om onze eigen chips te bouwen, ontstaat er al snel een concurrentieel voordeel met bijvoorbeeld Azië.”

 

Europa heeft best veel expertise, al wordt die al te vaak uitgekocht door Amerikaanse bedrijven. Zo ook chipbakker NXP in Nijmegen, dat werd overgenomen door Qualcomm.

Om de Europese chipindustrie uit de startblokken te helpen, zal de EU een aantal bedrijven extra middelen geven aan de hand van stevige subsidies. Meer nog als bij de plaatsing van de supercomputers wordt het EuroHPC-project hier een politiek verhaal. “De verdeling van de subsidies is delicate materie”, bevestigt het bestuurslid. “Er zijn natuurlijk wel wat landen die graag één van hun bedrijven de kans willen geven om uit te groeien tot Europese chipgigant.”

Wat met België?

Er wordt volop gewerkt aan de uitwerking van EPI, maar over concrete plannen wil Van Grootel uit diplomatieke overwegingen niets kwijt. Als we zelf speculeren, moeten we opmerken dat het Leuvense Imec in deze wel erg goed geplaatst is om een belangrijke rol op zich te nemen. Imec is vandaag al één van de weinige spelers wereldwijd die in staat is onderzoek te doen naar experimentele chips, zoals exemplaren op basis van germanium of gemaakt met sub 7 nm-processen.

 

België heeft met Imec één van de belangrijkste hoogtechnologische spelers in semiconductorland in huis.

Imec werkt bovendien nauw samen met ASLM bij onze noorderburen nabij Eindhoven. ASML maakt de lithografiemachines waarmee spelers als Intel en Samsung vandaag hun semiconductorfabrieken vullen. De apparatuur om met EUV aan de slag te gaan komt uit Eindhoven en wordt in Leuven getest. Het zou dus niet zo ver gezocht zijn om te denken dat ons land en Nederland een belangrijke rol zullen spelen in het Europese processoravontuur.

Nieuwe technologie

“Om exascale-hardware te bouwen, zullen we in ieder geval naar nieuwe technologieën zoals 5 nm- en 3 nm-lithografie moeten kijken”, geeft Van Grootel nog mee. De deadline om daar doorbraken te forceren, is opnieuw strak. Europa’s exascale-supercomputers moeten in 2024 live gaan en één van de twee geplande exemplaren moet in principe gebouwd worden met de nog te ontwikkelen Europese hardware. Als Europa die doelstelling kan halen, springt het in één klap naar de wereldtop, niet alleen op het vlak van HPC, maar ook als gigant in de semiconductorindustrie in het algemeen.

“EuroHPC en EPI zijn hoe dan ook projecten die zichzelf op termijn terugbetalen”, weet Van Grootel. “Het mag zeker de Belgische ambitie zijn om een belangrijke rol te spelen in het hele project, maar het is natuurlijk aan de politiek om daarover te beslissen.” De deadline van het hele project is in ieder geval strak. Omwille van het belang van HPC vandaag, niet alleen voor de academische sector maar ook voor het economische middenveld, zal EuroHPC ongetwijfeld zijn stempel drukken de komende jaren. En dan spreken we nog niet over het eventuele ontstaan van een lokale chipgigant.

 

HPC bestaat niet in een academische bubbel. We gingen eerder al in detail over het belang van HPC voor grote bedrijven en kmo’s in ons land.