Op donderdag 16 september verrichtte Koningin Máxima de officiële opening van de nieuwe nationale supercomputer Snellius, tienmaal zo krachtig als zijn voorganger. Alle onderzoekers van Nederlandse universiteiten en onderzoeksinstellingen, uit alfa-, bèta- en gammawetenschappen, kunnen er gebruik van maken. Deze longread vertelt hoe CWI-onderzoekers al sinds de aanschaf van de eerste nationale supercomputer in 1984 hebben gerekend op deze krachtige machine: van het testen van beveiligingssleutels tot het simuleren van gas- en vloeistofstromingen en elektrische ontladingen.
Supercomputer Snellius in het kort
- Naam: Willebrord Snellius was een 17e eeuwse Nederlandse wiskundige, bekend van de brekingswet van Snellius.
- Hardware: Lenovo ThinkSystem-servers met AMD EPYC™-processoren (de nieuwste generatie, 7H12, en een toekomstige generatie), en de nieuwste generatie NVIDIA GPU’s (A100)
- Rekensnelheid: Snellius: 13-21 petaflop (voorganger Cartesius: 1,8 petaflop)
- Piekvermogen: 1 MegaWatt
- Locatie: Amsterdam Data Tower, Amsterdam Science Park.
- Aangeschaft en beheerd door SURF (de ICT-coöperatie van onderwijs en onderzoek)
- Kosten: 18 miljoen euro betaald door Ministerie van OCW (via NWO) en 2 miljoen uit eigen middelen van SURF.
“Onze CWI-computers zijn best aardig, maar ze kunnen niet tippen aan de nationale supercomputer”, zegt CWI-onderzoeker Jannis Teunissen uit de groep Multiscale Dynamics van Ute Ebert. “En dus is het fijn dat wij op zo’n snelle, externe supercomputer kunnen rekenen. Met meer rekenkracht kom je steeds dichter bij de realiteit.”
Een handvol CWI-onderzoekers rekent geregeld op de nationale supercomputer. In de afgelopen acht jaar was dat de Cartesius, maar dat wordt vanaf nu de Snellius, die ruwweg een factor tien sneller is. Teunissen en zijn collega’s rekenen vooral aan elektrische ontladingen, ook wel plasma genoemd, een gas waarin de elektronen deels los zijn geslagen uit de atomen, waardoor het gas geïoniseerd is geraakt.
Teunissen: “Plasma’s kennen allerlei praktische toepassingen. Zo kan water dat met een plasma wordt geactiveerd gebruikt worden voor het desinfecteren van landbouwgewassen. Het grote voordeel is dat deze manier van desinfecteren geen milieuschade oplevert omdat de mogelijk schadelijke chemische bestanddelen door de plasma-activering vrij snel uit elkaar vallen en onschadelijk worden.”
Een andere toepassing ligt op het terrein van hoogspanningstechnologie, vertelt Teunissen. “Wanneer je een grote elektrische stroom wilt onderbreken, doet zich vaak een elektrische ontlading voor waarbij een plasma ontstaat. Hoe beter we dat proces begrijpen hoe beter we apparatuur kunnen ontwerpen die zulke stromen kan schakelen. Een veelgebruikt gas voor deze toepassing, SF6, moet de komende jaren vervangen worden omdat het een extreem broeikasgas is, wat nieuwe uitdagingen oplevert.”
Tegen-intuïtieve inzichten
Teunissen verwacht dat hij en zijn CWI-collega’s tegen het einde van 2021 al volop gebruik hebben gemaakt van de Snellius en dat ze nieuwe dingen hebben geleerd over een van de grote uitdagingen in hun onderzoek: “Bij de elektrische ontladingen die wij onderzoeken, ontstaan complexe vertakkende structuren, een soort kanaaltjes. Een lang openstaande vraag is wat precies die structuren bepaalt. Om daar achter te komen heb je 3D-simulaties nodig die we met Snellius willen gaan doen. We hebben al verkennende berekeningen op Cartesius gedaan en die gaan we voortzetten op Snellius.”
Rekenen op een snellere supercomputer levert veel meer op dan het sneller oplossen van een groot rekenprobleem. Het kan ook tot nieuwe inzichten leiden. “Het mooie van simulaties”, besluit Teunissen, “vind ik dat ik vaak verrast word door de resultaten. Als onderzoeker heb je een bepaalde intuïtie over de oplossing van een probleem, maar het komt vaak voor dat de simulatie laat zien dat je intuïtie niet klopt. Dan krijg je een nieuw inzicht dat je zonder een simulatie niet of veel moeilijker had gekregen.”
Simuleren van vloeistofstromingen
De nieuwe nationale supercomputer Snellius is aangeschaft door SURF (Samenwerkende Universitaire Rekenfaciliteiten) voor de gehele Nederlandse wetenschapsgemeenschap. Walter Lioen is afdelingshoofd Research Services bij SURF waaronder ook het High Performance Computing en Visualisatie-team valt dat de Snellius beheert en de gebruikers ondersteunt. Tussen 1985 en 2001 werkte hij als wetenschappelijk programmeur aan het CWI in de Numerieke Wiskunde-groep van Herman te Riele, een groep die veelvuldig gebruik maakte van de nationale supercomputer (zie het kader aan het eind: ‘Dankzij CWI-werk veilig met grote getallen’).
Lioens hele professionele carrière is verbonden met de nationale supercomputer, eerst als techneut met een achtergrond in de numerieke wiskunde en daarna als manager. “Wat ik zelf als programmeur het mooiste vond van het werk met de nationale supercomputer, was om een top-prestatie te halen uit die machine”, vertelt hij. “Dat stelt immers hoge eisen aan de manier van programmeren.”
Lioen: “Wat we in mijn jaren wetenschappelijk gezien op het CWI deden met de supercomputer, varieert van het simuleren van getijdenbewegingen en het droogvallen van zandplaten in de Noordzee, het simuleren van luchtstromingen rondom vliegtuigvleugels, het rekenen aan atmosferische modellen, tot het getaltheoretische werk in de groep van Herman te Riele.”
Een andere klus waaraan Lioen samen met anderen op het CWI werkte, was het maken van een zogenaamde numerieke bibliotheek voor het werken op de nationale supercomputer, NUMVEC genaamd. Dat soort werk kent een lange historie op het CWI die teruggaat tot het programmeren in Algol in de jaren zestig, toen de numerieke bibliotheek NUMAL werd gecreëerd. Lioen: “Doel van onze numerieke bibliotheek NUMVEC was om de implementatie van numerieke algoritmen optimaal te laten aansluiten bij de nationale supercomputer, zodat we zo efficiënt mogelijk konden rekenen.”
Kunstmatige intelligentie
Een van de nieuwe mogelijkheden die Snellius biedt vergeleken met zijn voorganger, is dat hij veel geschikter is voor het uitvoeren van machine learning-modellen, die tegenwoordig veel in de kunstmatige intelligentie worden gebruikt. Lioen: “Dan kun je denken aan het ontwikkelen van wetenschappelijk gezien nieuwe machine learning-modellen of aan het rekenen aan toepassingen. Dat kan ook voor het CWI heel interessant zijn, want voor steeds meer wetenschappelijke problemen wordt machine learning gebruikt. Wat onderzoekers precies zullen gaan doen met Snellius, hangt trouwens van hen zelf af. Als ze een mooie toepassing op het oog hebben, kunnen ze een aanvraag indienen voor rekentijd.”
Als alles volgens plan loopt, dan is Snellius in de loop van oktober klaar voor wetenschappelijk gebruik en moet hij een jaar of vijf meegaan voor het tijd wordt om weer een krachtigere nationale supercomputer aan te schaffen.
Dankzij CWI-werk veilig met grote getallen
Doe je via een beveiligde website je bankzaken, dan maak je automatisch gebruik van digitale beveiliging die is gebaseerd op zogeheten RSA-cryptografie (vernoemd naar de bedenkers Rivest, Shamir en Adleman). Aan de basis van RSA-cryptografie ligt de onwaarschijnlijkheid om getallen van een paar honderd cijfers snel te ontbinden in hun twee grote priemdelers.
Bij kleine getallen gaat dat ontbinden gemakkelijk, zoals bijvoorbeeld bij het getal 15. Dat heeft als priemdelers de twee priemgetallen 3 en 5, want 3 × 5 = 15. Maar hoe groter het getal, hoe moeilijker het wordt om priemdelers te vinden, zelfs voor razendsnelle computers. RSA gebruikt grote getallen als beveiligingssleutels om een boodschap te coderen. De beveiliging is zo gemaakt dat een kwaadwillende de boodschap alleen kan ontcijferen als hij de twee grote priemdelers kent.
Om de betrouwbaarheid van digitale beveiligingen te testen en nieuwe standaarden te bepalen, proberen wiskundigen met een supercomputer steeds grotere getallen te ontbinden in priemdelers. De supercomputer berekent producten van een heleboel combinaties van twee grote priemgetallen tot hij de passende heeft gevonden. CWI-onderzoekers hebben in de afgelopen decennia belangrijke bijdragen geleverd aan het tot het uiterste testen van RSA. Zo droegen ze in 1999 bij aan het kraken van de RSA-512 beveiligingsstandaard en in 2010 aan het kraken van RSA-768.
CWI-onderzoeker Herman te Riele (begin 2021 met pensioen gegaan) rekende met zijn collega’s vele jaren op de nationale supercomputer, dus op voorgangers van de Snellius. In 2009 schreef hij daarover in het artikel ‘Cryptografie en supercomputers’ (verschenen in het boek ‘De Rekenmeesters — Een toekomstgericht beeld van 25 jaar grootschalig rekenen in Nederland’, P. Michielse (red.)):
“De afgelopen vijftien jaar [1994-2009] hebben CWI-onderzoekers, onder wie vijf promovendi, ook veelvuldig gebruik gemaakt van SARA supercomputers voor het voor allerlei doelen ontbinden in factoren van getallen die zeer groot, maar iets onder recordgrootte, waren. Naast de cryptografie speelt het probleem van het factoriseren van grote getallen ook een rol bij verschillende getaltheoretische problemen. De inspanningen van CWI-onderzoekers bij het factoriseren van zeer grote getallen en daardoor het valideren van RSA [een belangrijke encryptiemethode] hebben in belangrijke mate bijgedragen aan de huidige standaard voor het in de praktijk kiezen van de RSA-sleutellengte. De hulp van SARA-supercomputers was hierbij van cruciaal belang.”
Meer informatie
- SURF-podcast over Snellius
- TV-reportage van EenVandaag over Snellius
- Tweakers maakte in 2016 een historisch overzicht van alle Nederlandse nationale supercomputers
- Tweakers schreef ook over de technische details van Snellius
