Rechnen für die Zukunft

Simulation, Visualisierung und künstliche Intelligenz sind zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden, um viele der komplexesten Probleme der Gesellschaft zu verstehen und anzugehen. Am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) steht die Nutzung der Chancen, die Supercomputing und andere fortschrittliche digitale Technologien zur Bewältigung dieser Herausforderungen bieten, im Mittelpunkt unseres Handelns.

Das HLRS wurde im Jahre 1996 als erstes der drei im Gauß Center for Supercomputing (GCS) organisierten Bundeshöchstleistungsrechenzentren gegründet.

Das HLRS ist neben dem Betrieb und der Bereitstellung von Höchstleistungsrechnern, Speichersystemen und Netzen auch für die Konzeption und Realisierung von Arbeitsplatzrechner-Umgebungen im Umfeld von Supercomputern zuständig. Es berät und unterstützt Nutzer:innen in allen Fragen der Nutzung von Höchstleistungsrechnern und den dazugehörigen Ressourcen und führt Schulungen und Kurse auf dem Gebiet sowie in der Anwendung von Künstlicher Intelligenz durch.

Außerdem unterstützt das HLRS Forschung und Industrie in der Umsetzung von Projekten zu HPC und KI, stellt Rechenleistung zur Verfügung und setzt eigene nationale und internationale Forschungsarbeiten sowie Modellierungen, Simulationen und Visualisierungen technischer und globaler Systeme um. Auch Software-Entwicklung, Cloud-Computing und Immersive Simulationen zählen zu den Aufgabengebieten des HLRS.

Höchstleistungsrechner, auch Supercomputer genannt, sind besonders schnelle Computer. Höchstleistungsrechner sind typischerweise mit einer besonders großen Anzahl an Prozessoren ausgestattet, die auf gemeinsame Desktop-Oberflächen oder einen gemeinsamen Hauptspeicher zugreifen können.

Höchstleistungsrechner werden im Bereich der Computersimulationen oder des Hochleistungsrechnens eingesetzt. Als Hochleistungsrechnen werden Rechenanwendungen bezeichnet, deren Komplexität oder Umfang eine Berechnung auf gewöhnlichen Arbeitsplatzrechnern unmöglich oder unsinnig macht. Höchstleistungsrechner werden für die Verarbeitung von Rechenaufgaben parallel programmiert.

Im Rahmen des SiVeGCS Projektes, welches die Koordination und Sicherstellung der weiteren Verfügbarkeit der Supercomputing-Ressourcen des Gauss Centre for Supercomputing (GCS) im Rahmen der nationalen Höchstleistungsrechner-Infrastruktur und somit auch die Beschaffung und den Betrieb von Höchstleistungsrechnern fördert, wurde im Jahr 2019 ein neues Apollo 9000 System der Firma Hewlett-Packard Enterprise („Hawk“) durch das HLRS beschafft, welches Anfang 2020 seinen Betrieb aufgenommen hat.

Als Nachfolger des „Hawk“ wird das HLRS III mit „Herder“ ausgestattet. „Herder“ wird ein Vielfaches der Rechenleistung von „Hawk“ zur Verfügung stellen können. Um bei „nur“ doppeltem Energieverbrauch eine erheblich größere Rechenleistung bieten zu können, wird bei „Herder“ neueste Technologie eingesetzt werden, bei der wahrscheinlich nicht nur mehr Standardprozessoren den Hauptteil der Rechenleistung zur Verfügung stellen.

Da diese Systeme von ihren Nutzer:innen wesentlich andere Vorgehensweisen bei der Programmierung der Applikationen erfordern, wird „Hawk“ im Jahre 2024 zunächst durch ein System gleicher Rechenleistung, jedoch mit neuester Technologie/neuesten Technologien ersetzt. Dies wird den Nutzer:innen den Umstieg erleichtern und sie auf die effiziente Benutzung von „Herder“ vorbereiten, so dass die zum Betrieb des Systems notwendige Energie effizient genutzt wird.

Das HLRS III wird auf dem durch die Universität Stuttgart genutzten Grundstück in der Nobelstraße 17, 70569 Stuttgart realisiert. Damit befindet es sich in direkter Nachbarschaft zu den bereits bestehenden HLRS-Gebäuden.

Die vorhandenen hochinstallierten Flächen für die Rechneraufstellung, die Kühl-und Elektroinfrastruktur sowie Büros für weitere Mitarbeiter reichen bei Weitem in den vorhandenen Flächen des HLRS nicht aus.

Darüber hinaus ist die Infrastruktur (Kühlung, Elektroinstallation) an die gestiegenen Anforderungen z.B. hinsichtlich der Redundanz anzupassen. Ebenso sind die baulichen Gegebenheiten (höhere Flächenlasten) zu verändern.

Die vorgenannten Gründe sowie der notwendige Parallelbetrieb (bestehende Rechner und neuer Rechner zur Programmumstellung) verhindern einen Ein-/Aufbau des neuen Rechners in den vorhandenen Rechenraum.

Für die im derzeitigen Rechenraum nach Fertigstellung des neuen Gebäudes freiwerdende Flächen besteht bereits ein sinnvolles Nachnutzungskonzept.

Das Projekt wird realisiert vom Land Baden-Württemberg, vertreten durch den Landesbetrieb Vermögen und Bau Baden-Württemberg, das Universitätsbauamt Stuttgart und Hohenheim. Die Landeshauptstadt Stuttgart ist projektbeteiligt mit dem Amt für Stadtplanung und Wohnen, dem Baurechtsamt sowie dem Amt für Umweltschutz. Das HLRS ist eine Einrichtung der Universität Stuttgart. Die Universität Stuttgart mit dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS). Mit der Planung sind, unter der Leitung der Architektenarbeitsgemeinschaft Benthem Crouwel Architects, Amsterdam und Birk Heilmeyer Frenzel Architekten, Stuttgart, eine Vielzahl von technischen Planungsbüros und Fachleuten beauftragt.

Über das Bauvorhaben wird neben unserer Webseite in einem Bürgerbeteiligungsverfahren informiert. Aktuelle Informationen zur Bürgerbeteiligung finden Sie auf unserer Webseite.

Erste skizzenhafte Planungsergebnisse liegen seit etwa Oktober 2022 vor. Diese werden aktuell innerhalb der Universität und des HLRS bewertet, weiterhin finden auf dieser Basis wichtige Vorabstimmungen mit Genehmigungsbehörden, Geldgebern und der unmittelbar benachbarten Fraunhofer-Gesellschaft statt. Damit werden Projektziele geschärft und präzisiert. Sobald belastbare und diskussionsfähige Planungsergebnisse vorliegen, werden diese auf unserer Webseite veröffentlicht.

Ja, der Neubau des HLRS III wird auf einer Fläche geplant, für die es einen genehmigten Bebauungsplan gibt. Sie ist als Sondergebiet für Forschung und Lehre ausgewiesen.

Der gesamte Bereich Birkhof, südlich der Nobelstraße bis zur B14/A831, befindet sich im Eigentum des Landes Baden-Württemberg und ist schon seitlanger Zeit als notwendige Erweiterungsfläche für die Universität Stuttgart, Hochschulen bzw. universitätsnahe Institutionen vorgesehen.

Der Betrieb von Höchstleistungsrechenzentren erfordert erhebliche Mengen an Energie und anderen Ressourcen. Das HLRS hat sich aus diesem Grund dazu verpflichtet, möglichst praktische Maßnahmen zu ergreifen, um seinen CO₂-Fußabdruck zu verringern, Umweltverschmutzung zu vermeiden und andere negative Auswirkungen auf die Umwelt zu begrenzen.

Das HLRS arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung seiner Umwelt- und Energieleistung. Es hat ein umfassendes Regelwerk für das Umwelt- und Energiemanagement entwickelt und umgesetzt, das alle Aspekte des Betriebs des Zentrums abdeckt.

Das Nachhaltigkeitskonzept des HLRS ist im Rahmen des Eco Management and Audit Scheme (EMAS), des Umweltzeichens Blauer Engel und der internationalen ISO-Normen formell ausgezeichnet.

Der auf dem Baugrundstück aktuell befindliche Trockengraben wird nach Süden verlegt und in seiner aktuell bestehenden Form wiederhergestellt. Dies sieht auch der rechtsgültige Bebauungsplan vor. Gleiches gilt auch für den parallel zu diesem Graben verlaufenden Weg, der von Spaziergänger*innen aus der Nachbarschaft gerne genutzt wird.

Auf der Baufläche stehen etwa 8 Bäume. Mindestens diese Anzahl wird bei der Neugestaltung der Außenflächen vor Ort wieder gepflanzt. Für den an der Südostecke des TTI bestehenden Hecken-und Strauchbestand werden ebenfalls Ersatzpflanzungen erfolgen.

Ein vorliegendes Artenschutzrechtliches Gutachten (Quetz/Koch) aus dem Jahre 2016 wird derzeit plausibilisiert und aktualisiert - und natürlich bei der weiteren Planung beachtet. Bei bisherigen Baumaßnahmen für die Universität innerhalb des genehmigten Bebauungsplans waren keine Ausgleichsmaßnahmen erforderlich.

Die zusätzliche Flächenversiegelung beschränkt sich auf die neuen Gebäudeflächen und befestigte Rangierflächen für Feuerwehr und Anlieferung der Rechnertechnik.

Hier sieht der Bebauungsplan Dachbegrünungen und versickerungsfähige Stellplatzflächen vor. Das anfallende Regenwasser wird in Rigolen-Systemen gesammelt. Neue Stellplätze sind nicht geplant.

Darüber hinaus verlangt der Bebauungsplan keine zusätzlichen Maßnahmen.

Der auf dem Baugrundstück aktuell befindliche temporär wasserführenden Graben zur Entwässerung wird nach Süden verlegt und in seiner aktuell bestehenden Form wiederhergestellt. Dies sieht der rechtsgültige Bebauungsplan vor. Gleiches gilt auch für den parallel zu diesem Graben verlaufenden Weg.

Das vorgesehene Baufeld liegt ca. 200 m von den nächsten Wohngebäuden entfernt. Die von den Rückkühlwerken ausgehenden Geräuschemissionen werden durch Schalldämpfungsmaßnahmen, etwa schallschluckende Lamellen so reduziert, dass strenge gesetzliche Vorgaben -insbesondere nachts - eingehalten werden.

Besonders laute Maschinen werden innerhalb des Gebäudes eingebaut und so gekapselt, dass von ihnen keine Beeinträchtigung der Umwelt ausgehen kann. Schon das bestehende Rückkühlwerk ist aus etwa 30 m Entfernung nicht mehr zu hören.

Die Einhaltung der zulässigen Pegel bzw. Schallimmissionen werden auch in Zukunft durch einen darauf spezialisierten Bauphysiker überwacht.

Das HLRS arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung seiner Umwelt- und Energieleistung. Es hat ein umfassendes Regelwerk für das Umwelt- und Energiemanagement entwickelt und umgesetzt, das alle Aspekte des Betriebs des Zentrums abdeckt.

Das Nachhaltigkeitskonzept des HLRS ist im Rahmen des Eco Management and Audit Scheme (EMAS), des Umweltzeichens Blauer Engel und der internationalen ISO-Normen formell ausgezeichnet.

Kühlung ist im Rechenzentrum auf Raum-, Rack- und CPU-Ebene nötig. Die insgesamt benötigte Kühlleistung entspricht der elektrischen Leistung. Im bestehenden Fernkältesystem der Universität ist weder bei der Kälteerzeugung noch im Leitungssystem ausreichend freie Kapazität vorhanden. Der Neubau muss deshalb mit einer eigenen Kälteerzeugung ausgestattet werden. Die Rückkühlung wird, soweit möglich, mit ganzjährig freier Kühlung erfolgen.

Zur energieeffizienten Kühlung sollen zwei Kühlkreisläufe aufgebaut werden: einer mit hoher Leistung und höheren Temperaturen (Warmwasser) für die Rechenknoten (CPU-Kühlung) und ein zweiter, kleinerer für Raum- und Rack-Kühlung mit üblichen niedrigen Temperaturen.

Die Nutzung des Abwärmepotentials des HLRS stellt einen wichtigen Baustein zum Erreichen der Klimaschutzziele des Landes Baden-Württemberg am Campus Vaihingen dar. Ziel der weiteren Planung ist es daher, einen möglichst großen Anteil der rechnerisch nutzbaren Abwärme des HLRS-Bestandes und des Neubaus HLRS III auf dem Campus Vaihingen zu nutzen.

Die Ergebnisse einer bereits durchgeführten Machbarkeitsstudie zeigen, dass die Abwärme des HLRS III für die Wärmeversorgung des Unicampus wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll genutzt werden kann. Zu beachten ist, dass das HLRS nicht die Versorgungssicherheit eines Energielieferanten gewährleisten kann, daher wird die Wärmeversorgung am Campus Vaihingen unabhängig vom HLRS durch das bestehende HKW (Heizkraftwerk) weiterhin sichergestellt werden.

Bereits heute wird ein Anteil der anfallenden Abwärme zur Beheizung des bestehenden HLRS-Gebäudes genutzt. Eine weitere Möglichkeit ist die Einspeisung der Abwärme in das bestehende Fernwärmenetz des Unicampus mittels Temperaturhub durch Wärmepumpen. Hierfür ist ein zusätzlicher Strombedarf für den Betrieb der Wärmepumpen notwendig. Dadurch könnte aber ein Großteil der Abwärme ganzjährig genutzt werden. Rechnerisch könnten so ca. 50 Prozent des Wärmebedarf des Universitätscampus gedeckt werden – mit signifikanten Einsparungen von CO₂-Emissionen. Für geeignete, energieeffiziente neue Gebäude könnte die Abwärme direkt, ohne den Einsatz von Wärmepumpen genutzt werden.

Gemeinsam mit allen Beteiligten soll eine technologieoffene und zukunftssichere Lösung erarbeitet und in die energetische Gesamtplanung des Campus Vaihingen integriert werden.

Am Standort südlich des Technologiezentrums verläuft die Ost-West Ausrichtung des Baukörpers parallel zum Verlauf des Kaltluftstroms, der sich aus dem Büsnauer Wiesental in Richtung Johannesgraben erstreckt.

Weil die Prognosen über die Menge der genutzten Abwärme ab Inbetriebnahme etwa 2028 aktuell erstellt werden, lässt sich das noch nicht mit hinreichender Genauigkeit sagen. Erklärtes Ziel ist es jedenfalls (vgl. auch „Wie wird mit der Abwärme umgegangen“), die Abwärme-Menge, die insbesondere im Sommer an die Umwelt abgegeben werden muss, möglichst gering zu halten. Sobald belastbare Prognosen aus dem Abwärmenutzungsprojekt vorliegen, wird eine präzise Abstimmung mit Klimatologen und dem Amt für Umweltschutz der Stadt Stuttgart erfolgen.

Der auf dem Baugrundstück aktuell befindliche Trockengraben wird nach Süden verlegt und in seiner aktuell bestehenden Form wiederhergestellt. Dies sieht auch der rechtsgültige Bebauungsplan vor. Gleiches gilt auch für den parallel zu diesem Graben verlaufenden Weg, der von Spaziergänger*innen aus der Nachbarschaft gerne genutzt wird.

Auf der Baufläche stehen etwa 8 Bäume. Mindestens diese Anzahl wird bei der Neugestaltung der Außenflächen vor Ort wieder gepflanzt. Für den an der Südostecke des TTI bestehenden Hecken-und Strauchbestand werden ebenfalls Ersatzpflanzungen erfolgen.

Ein vorliegendes Artenschutzrechtliches Gutachten (Quetz/Koch) aus dem Jahre 2016 wird derzeit plausibilisiert und aktualisiert - und natürlich bei der weiteren Planung beachtet. Bei bisherigen Baumaßnahmen für die Universität innerhalb des genehmigten Bebauungsplans waren keine Ausgleichsmaßnahmen erforderlich.