Im Informatikunterricht erhielten wir die Aufgabe, zu zweit eine Präsentation über eine Rechenarchitektur zu erarbeiten. Ich habe mich auf Supercomputer fokussiert. Dazu verfassten wir ein Handout, das die wichtigsten Merkmale zusammenfasste. Ein Supercomputer ist ein extrem schneller Rechner mit enormer Rechenleistung. Er kann universell eingesetzt werden und ist meist ähnlich zur Von-Neumann-Architektur gebaut. Die Von-Neumann-Architektur ist ein Computer, der ein Rechenwerk, Steuerwerk, Speicher, Ein- und Ausgabewerk sowie ein Bussystem besitzt. Besonders auffällig ist, dass Supercomputer mehrere CPUs gleichzeitig nutzen. Dadurch sind sie in der Lage, unglaublich viele Aufgaben parallel zu bearbeiten. Ihre Hauptanwendungsgebiete sind anspruchsvolle Simulationen, zum Beispiel von Klimamodellen oder Flugzeugflügen, die Kryptologie (also das Verschlüsseln und Entschlüsseln von Informationen) sowie komplexe Vorhersagen, etwa bei der Wetterprognose oder sogar die Berechnung von Börsenkursen. Eine interessante Tatsache, die wir während unserer Recherche herausfanden, ist, dass fast alle Supercomputer auf Linux laufen. Windows findet in diesem Bereich praktisch keinen Einsatz, dies liegt vermutlich an der höheren Anpassungsfähigkeit und Effizienz von Linux. Auch bei den Programmiersprachen, die in Supercomputern Anwendung finden, gibt es solche, die häufiger verwendet werden als andere. Besonders oft werden C, C++ und Fortran eingesetzt. Diese Sprachen sind sehr effizient, da sie einen direkten und schnellen Zugriff auf die Hardware ermöglichen.
Während wir uns auf Supercomputer konzentrierten, präsentierte eine andere Gruppe Informationen zu Quantencomputern – einer Technologie, die oft als potenzieller Nachfolger oder manchmal sogar als Konkurrent der klassischen Supercomputer gesehen wird. Quantencomputer arbeiten nicht mit klassischen Bits, sondern mit sogenannten Qubits. Diese können durch das Prinzip der Superposition nicht nur 0 oder 1 sein, sondern auch beide Zustände gleichzeitig einnehmen – zumindest so lange keine Messung erfolgt. Zudem können Qubits durch Verschränkung miteinander verbunden werden, was komplexe Abhängigkeiten im System ermöglicht. Diese Eigenschaften erlauben sogenannten Quantenparallelismus: Ein Quantencomputer kann theoretisch alle möglichen Zustände eines Systems gleichzeitig verarbeiten. Das können klassische Supercomputer nicht leisten.
Allerdings sind Quantencomputer noch in der Entwicklungsphase. Viele Modelle sind heute noch sehr fehleranfällig und verfügen nur über wenige hundert bis maximal tausend Qubits. Zudem sind die logischen Rechenoperationen, die sogenannten Quantengatter, ganz anders aufgebaut als bei klassischen Rechnern, denn sie basieren auf Wahrscheinlichkeiten.
Warum Supercomputer bei Wettersimulationen unersetzlich sind
In der Diskussion um die Zukunft des Rechnens stehen Quantencomputer oft im Rampenlicht. Doch bei manchen Anwendungen wie der Wettervorhersage bleiben Supercomputer derzeit unersetzlich. Warum ist das so? Diese Frage werde ich im folgenden Teil beantworten.
Wettersimulationen basieren auf der numerischen Lösung komplexer, nicht linearer Differenzialgleichungen, die die physikalischen Prozesse der Atmosphäre modellieren. Diese Gleichungen erfordern die Verarbeitung riesiger Datenmengen und die Durchführung zahlreicher Rechenschritte, um präzise Vorhersagen zu ermöglichen. Supercomputer sind hierfür ideal geeignet, da sie über enorme Rechenleistung und Speicherkapazitäten verfügen und viele Aufgaben parallel bearbeiten können. Quantencomputer hingegen arbeiten mit Qubits, die sich in Überlagerungszuständen befinden können. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, bestimmte Probleme effizienter zu lösen als klassische Computer. Allerdings sind Quantencomputer derzeit noch in der sogenannten NISQ-Ära (Noisy Intermediate-Scale Quantum), was bedeutet, dass sie anfällig für Fehler sind und nur eine begrenzte Anzahl von Qubits stabil betreiben können. Zudem ist die Eingabe und Ausgabe grosser Datenmengen bei Quantencomputern derzeit noch eine Herausforderung.
Ein weiterer Punkt ist die Art der Probleme, die Quantencomputer effizient lösen können. Sie sind besonders gut bei speziellen mathematischen Problemen, wie der Faktorisierung grosser Zahlen oder der Simulation von Quantenmechanismen. Bei allgemeinen Aufgaben, wie der Wettervorhersage, bieten sie jedoch keinen signifikanten Vorteil gegenüber klassischen Supercomputern. Ein Grund, mit dem man das erklären könnte ist, dass Quantencomputer ziemlich fehleranfällig sind. Bei einem Supercomputer ist dies nicht der Fall, denn dieser ist auf Zuverlässigkeit ausgelegt.
Es gibt auch technische Herausforderungen. Quantencomputer sind empfindlich gegenüber äusseren Einflüssen und benötigen spezielle Bedingungen, wie extrem niedrige Temperaturen, um stabil zu arbeiten. Dies macht ihren Einsatz in grossem Massstab derzeit noch schwierig.
Dennoch könnten Quantencomputer in Zukunft eine wichtige Rolle spielen, insbesondere in Kombination mit klassischen Supercomputern. Hybride Systeme, die die Stärken beider Technologien nutzen, könnten neue Möglichkeiten eröffnen. So könnten Quantencomputer beispielsweise bestimmte Teilprobleme effizient lösen, während Supercomputer die Verarbeitung grosser Datenmengen übernehmen.
Insgesamt zeigt sich, dass Quantencomputer und Supercomputer keine direkten Konkurrenten sind, sondern sich vielmehr ergänzen können. Während Supercomputer weiterhin die Arbeitspferde für datenintensive Aufgaben bleiben, könnten Quantencomputer spezialisierte Probleme schneller lösen. Die Zukunft liegt möglicherweise in der Zusammenarbeit beider Technologien.
