Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert auf Basis dieser Richtlinie Verbundforschungsprojekte auf dem Gebiet der Software- und Technologieentwicklung im High-Performance Computing im ExaFlop-Bereich, die substantiell zur Umsetzung des BMBF-Programms „Hoch- und Höchstleistungsrechnen für das digitale Zeitalter 2021-2024 – Forschung und Investitionen zum High-Performance Computing“ beitragen.

High-Performance Computing (HPC) gehört heute in vielen wissenschaftlichen Disziplinen zu den grundlegenden Forschungsmethoden. In der Astro- und Teilchenphysik liefern immer umfangreichere Simulationen mit stetig wachsendem Rechenbedarf neue Erkenntnisse über das Universum und seine kleinsten Bausteine. Eine wichtige Rolle spielt HPC auch bei der Klimamodellierung, der Wettervorhersage, der Ozeanographie und der Erdsystemforschung. Über die rechenintensive Analyse komplexer Klima- und Umweltdaten lassen sich relevante Umweltveränderungen frühzeitig erkennen und eventuell erforderliche Maßnahmen einleiten. Der Einsatz von HPC ermöglicht detaillierte Untersuchungen von Prozessen in Biologie und Medizin. Dies trägt zur Entwicklung von Arzneimitteln und Impfstoffen ebenso bei wie zur Auswertung bildgebender Verfahren oder der Genomsequenzierung. In der Chemie können mit HPC-Unterstützung Reaktionen detailliert untersucht und neuartige Materialien designt werden. Ingenieurwissenschaften und Industrie haben ebenfalls wachsenden Bedarf an Rechenleistung. In Deutschland betrifft dies vor allem den Maschinenbau, die Automobilindustrie, die Verfahrenstechnik sowie die Luft- und Raumfahrt − von der digitalen Produkt- und Prozessprüfung im Rechner bis hin zum „Digitalen Zwilling“. Zudem zeigen Forschung und Anwendung der Künstlichen Intelligenz (KI) einen zunehmend steigenden Bedarf an Rechen- und Speicherleistung. Gleichzeitig bietet KI bestehenden Methoden und Konzepten der Simulation, Modellierung und der Analyse großer Datenmengen neue Perspektiven zur Leistungssteigerung.

Höchstleistungsrechnen spielt damit schon heute eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Forschung. Aktuelle Höchstleistungsrechner erreichen Leistungen im Pre-Exaflop-Bereich (mindestens 1017 Operationen pro Sekunde), aber schon in einem Jahr könnten die ersten Rechner in der Exaflop-Leistungsklasse (mindestens 1018 Operationen pro Sekunde) zur Verfügung stehen. Dieser Sprung in der Leistungsfähigkeit wird mit einer Kombination unterschiedlicher Hardware-Komponenten wie Prozessor (Manycore CPU), Beschleuniger (GPGPU) und Spezialprozessoren (TPU, FPGA) ermöglicht. Die Programmierung solcher sehr großen heterogenen Systeme erfordert neue Methoden und Techniken in der Softwareentwicklung vor allem durch einen durchgängigen Co-Design-Ansatz. Damit Anwendungen die Leistung von Exascale-Systemen effizient ausnutzen können, muss die Skalierbarkeit auf sehr großen und heterogenen Systemen verbessert werden. Auch für die Kombination von klassischem HPC und KI sowie Datenanalyse-Techniken muss die Skalierbarkeit für Exascale-Systeme deutlich gesteigert werden.

Eine Vielzahl von Technologien sind für moderne Höchstleistungsrechner notwendig: vom Prozessor über Beschleuniger und Datenspeicher bis hin zu Filesystem und Betriebssystem. Gleichzeitig werden die Anforderungen der Anwendungen heterogener. Daher sind auch neue Technologien nötig, die auf bestimmte Problemstellungen zugeschnitten sind und sich in Höchstleistungsrechner z. B. als Komponenten integrieren lassen. Diese Weiterentwicklung und Erweiterung der ersten Generation von Exascale-Rechnern kann die Grundlage für Post-Exascale-Rechner und Spezialrechner mit möglichen Anbindungen z. B. zu Quantenrechnern und neuromorphen Komponenten legen.

Diese Förderrichtlinie ergänzt die künftigen Aktivitäten im Rahmen von EuroHPC: die Beschaffung von europäischen Exascale-Rechnern und die Förderung von HPC in verschiedenen Anwendungsbereichen. Diese Förderrichtlinie soll daher eine gute Ausgangsposition für eine deutsche Beteiligung an diesen europäischen Aktivitäten sichern und gleichzeitig die effiziente Nutzung künftiger Exascale-Systeme in Deutschland ermöglichen.

Diese Förderrichtlinie trägt außerdem zur Umsetzung der Hightech-Strategie 2025 der Bundesregierung (http://www.hightechstrategie.de, der Datenstrategie der Bundesregierung (https://www.bundesregierung.de/breg-de/suche/datenstrategie-der-bundesregierung-1845632, der Strategie „Künstliche Intelligenz“ der Bundesregierung (https://www.ki-strategie-deutschland.de/) sowie der Digitalstrategie des BMBF (https://www.bildung-forschung.digital/files/BMBF_Digitalstrategie.pdf) bei.