Citizen Science

Ein Volk von Prozessoren für die Wissenschaft

Von Ludwig Hruza
23.08.2021
, 11:05
Das Allen Telescope Array in Kalifornien hatte ein Tech-Milliardär für Suche nach Außerirdischen gestiftet. Normalbürger können der Forschung immerhin Rechenkapazitäten ihrer PCs spendieren.
Volunteer-Computing ist eine alte Idee, deren Potential immer größer wird. Doch die Unterstützung in der Bevölkerung hat über die Jahre nachgelassen.
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Grundlagenforschung zu unterstützen ist Staatsaufgabe. Teilchenbeschleuniger, Genforschungszen­tren, Raumsonden oder Antarktis-Stationen werden überwiegend aus Steuergeldern finanziert. Der Bürger zahlt, ist aber als Museumsbesucher oder Medienkonsument sonst oft nur Zaungast der Wissenschaft. Vor etwa 25 Jahren hatten Informatiker im kalifornischen Berkeley die Idee, die zunehmende Verbreitung ans Internet angeschlossener Computer in Haushalten dafür zu nutzen, Privatleute direkter in ganz bestimmte Forschungsprojekte zu involvieren, indem sie ihre Computer immer dann, wenn diese nicht von ihnen selbst genutzt werden, für ­wissenschaftliche Berechnungen zur Verfügung stellten. Daraus entstand SETI@home, eines der ersten sogenannten Volunteer-Computing-Projekte. Es ließ teilnehmende Heimcomputer die Datenfluten eines Radioteleskops nach Signalen außerirdischer Intelligenzen durchsuchen. Die Idee war innovativ – und fand schon wegen des publikumswirksamen Forschungsgegenstandes großes mediales Echo. Drei Monate nach Projektstart im Jahr 1999 hatten sich mehr als eine Million Menschen registriert, um bei der Suche nach „ET“ zu helfen. Die kollektive Rechenleistung des Computernetzwerks war damit weit größer als die des damals besten Supercomputers.

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Inzwischen ist die verfügbare Rechenleistung und deren Bedeutung für die Wissenschaft zwar immer weiter gestiegen, doch einen solchen Hype wie um die Jahrtausendwende hat das Volunteer-Computing nicht nochmals erlebt. Die Bereitschaft der Leute, mit ihren Privatcomputern zu wissenschaftlichen Projekten beizutragen, hat nachgelassen, obwohl eigentlich immer mehr Menschen Zugang zu elektronischen Geräten haben sollten. „Alles, was du brauchst, ist ein Gerät mit Prozessor, das kommunizieren kann“, sagt der Informatiker David Anderson, der damals mit seinen Kollegen aus Berkeley die theoretischen Grundlagen fürs Volunteer-Computing entwickelt hat und SETI@home ­mitgründete. Als nach dessen Erfolg immer mehr Volunteer-Computing-Projekte gestartet wurden, gründete Anderson die Plattform BOINC, die es auch anderen Forschungsprojekten ermöglichen sollte, Rechenaufträge an Freiwillige zu verteilen, ohne dafür eine eigene Infrastruktur aufbauen zu müssen. Heute vereint BOINC insgesamt 34 Projekte, von Klimasimulationen über Primzahlensuche bis hin zur Vorhersage der Struktur von Proteinen. Mit ihren etwa 80 000 aktiven Freiwilligen würde die Rechenleistung der Plattform damit heute auf Rang zehn der besten Supercomputer liegen.

Auch Bruce Allen schätzt das Volunteer-Computing. Der Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam und Hannover leitet das Projekt Einstein@Home, das Heimcomputer in den Daten verschiedener Instrumente nach Neutronensternen suchen lässt sowie nach Gravitationswellen, die solche Sterne bei ihrer Eigendrehung abstrahlen, wenn sie nicht perfekt rund sind. „Im normalen wissenschaftlichen Betrieb würde man mit einem wirklich guten Projektvorschlag vielleicht einige Tage Rechenzeit auf dem gesamten Cluster eines großen Supercomputers ergattern“, erklärt Allen. „Durch unsere Freiwilligen bekommen wir diese Rechenleistung aber jeden Tag – und das umsonst.“ In den letzten fünfzehn Jahren hat Einstein@Home um die achtzig neue Neutronensterne entdeckt, nur mit den kontinuierlich abgestrahlten Gravitationswellen hat es noch nicht geklappt. Doch die Neutronensterne faszinieren zahlreiche Freiwillige, die ihre Computer dafür über Jahre laufen lassen, bis sie eines Tages tatsächlich einen finden und dann mit einer Urkunde belohnt werden.

Teilnehmerzahlen bei BOINC: Die Begeisterung war schon mal größer.
Teilnehmerzahlen bei BOINC: Die Begeisterung war schon mal größer. Bild: BOINC/F.A.Z. Graphik Piron

„Als Physiker beschäftigen wir uns gerne mit dem Extremsten, das wir finden“, sagt Allen. Und verglichen mit dem, was wir hier auf der Erde als normal zu betrachten gelernt haben, ist ein Neutronenstern wirklich radikal extrem. Könnte man einen Teelöffel Neutronenstern abschaben, würde der etwa so viel wiegen wie ein ganzer Berg auf der Erde. Neutronensterne sind aber auch deshalb interessant, weil sie in ihrer Dichte so nahe wie nichts anderes an ein schwarzes Loch herankommen. Aber eben nur fast. Man kann sie immer noch sehen, aber möglicherweise etwas über schwarze Löcher lernen. Zudem senden Neutronensterne auch noch einen Strahlungskegel aus und drehen sich dabei irrsinnig schnell um die eigene Achse – schneller als irgendein anderer Himmelskörper vergleichbarer Größe. Stünde man am Äquator eines solchen Sterns, würde man sich mit bis zu einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit bewegen.

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Der Neutronenstern auf meinem Rechner

Die schnelle Rotation ist auch die beste Möglichkeit, einen Neutronenstern überhaupt erst zu entdecken. „Einen Neutronenstern kann man sich wie einen in der Ferne rotierenden Leuchtturmscheinwerfer vorstellen, dessen Lichtkegel in regelmäßigen zeitlichen Abständen an uns vorbeizieht“, sagt Bruce Allen. „Was uns interessiert, ist die Frequenz. Ist sie hoch genug, kann man sicher sein, dass das Licht tatsächlich von einem Neutronenstern kam und nicht von einer anderen Quelle.“

Die Frequenz eines Leuchtturms zu finden ist eigentlich keine sehr schwere Aufgabe, man muss nur die Zeit messen, die zwischen zwei vorbeiziehenden Lichtkegeln vergeht. Ist man allerdings weniger aufmerksam und nimmt nur ab und zu den Lichtschein des Leuchtturms war, ist es schon etwas schwieriger. Zwischen jeder Messung hat sich der Leuchtturm dann schon einige Male gedreht, und man müsste eine Weile warten, bis man genügend Messungen zusammenhat, um daraus die Frequenz zu bestimmen. Nun dreht sich ein typischer Neutronenstern aber an jedem Erdentag etwa 40 Millionen Mal, und von seinem Lichtschein kommt pro Tag – zumindest für sogenannte Gamma-Pulsare – oft weniger als ein einziges Photon auf der Erde an. Will man nun wissen, wie schnell sich der Neutronenstern dreht, muss man schon ziemlich lange messen, typischerweise gut zehn Jahre. Das ist die erste Hürde, aber es gibt noch zwei weitere: Wir, die Beobachter auf der Erde, und der Neutronenstern sind ja ständig in Bewegung, und wenn wir uns gerade auf den Neutronenstern zubewegen, zählen wir mehr Photonen pro Zeit, als wenn wir uns in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Zu guter Letzt rotiert ein Neutronenstern, unser Leuchtturm, gar nicht mit konstanter Frequenz, sondern wird mit der Zeit auch immer langsamer. Denn durch die Abstrahlung verliert er Rotationsenergie.

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Heimrechnen als Crowdfunding

Das Kunststück besteht also darin, erst einmal zu simulieren, wie das Signal eines Neutronensterns auf der Erde theoretisch aussehen müsste, würde er sich an einem Ort mit einer gewissen, langsam abnehmenden Frequenz drehen, und dann dieses theoretische Signal möglichst effizient mit den gemessenen Daten vergleichen, und zwar für alle denkbaren Orte und Frequenzen. Dazu bedarf es einer gigantischen Rechen­leistung – und die stammt bei Einstein@Home von den privaten Computern der Freiwilligen.

„Die Freiwilligen unterstützen uns auch finanziell“, erklärt Bruce Allen, „indem sie nämlich ihren Stromverbrauch bezahlen.“ Er schätzt, dass die Kosten für Elektrizität der am Projekt beteiligten Rechner zusammen etwa sechs Millionen Euro im Jahr betragen. Für einen durchschnittlichen Freiwilligen in Deutschland, der mit seinem Laptop zum Projekt beiträgt, dürften die Stromkosten nicht mehr als zehn Euro im Monat betragen, schätzt Allen. So betrachtet ist Volunteer-Computing vergleichbar mit einem riesigen Crowdfunding-Projekt, mit dem die Bevölkerung Grundlagenforschung direkt unterstützt.

Beim Thema Stromverbrauch von Computern fällt einem schnell noch eine andere, weitaus energieintensivere Technologie ein: die der Blockchain sowie die darauf beruhenden Kryptowährungen, allen voran der Bitcoin. David Anderson sieht im Bitcoin-Mining eigentlich keine Konkurrenz zum Volunteer-Computing. Wer die Wissenschaft mit seinem Rechner unterstützen möchte, der mache das ja nicht aus Profitstreben. Tatsächlich könnten Bitcoin und Volunteer-Computing sogar voneinander profitieren, indem Letzteres den „Proof of work“ ersetzen würde, auf dem Kryptowährungen basieren.

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Rechenzeitspenden im Zeitalter der Blockchain

Bei Systemen wie Bitcoin werden alle Zahlungen in eine Liste eingeschrieben, die auf jedem teilnehmenden Computer lokal gespeichert ist. Die Liste ist damit gleich der Währung selbst. Gibt es ein Update der Liste mit neuen Einträgen (einen neuen Block), stellt sich aber das Problem, wie ein lokaler Computer darauf vertrauen kann, dass niemand die Liste zu seinen Gunsten gefälscht hat. Um dieses Problem zu lösen, benötigt jedes Update der Liste einen sogenannten „Proof of Work“: eine schwierige Rechenaufgabe, deren Ergebnis mit allen bisherigen Ketten an Updates der Liste, das ist die sogenannte Blockchain, kompatibel sein muss. Empfängt nun ein Computer zwei sich widersprechende Updates, so wartet er noch, bis ein paar weitere in sich kohärente Updates dazugekommen sind, die entsprechend der Natur des „Proof of Work“ nur mit einem der beiden sich widersprechenden Updates kompatibel sein können. Die Regel ist nun, dass ein Computer derjenigen Kette an Updates vertraut, welche die längere ist. Denn würde jemand ein Update fälschen, müsste er auch den „Proof of Work“ für alle zukünftigen Updates berechnen, damit diese mit seinem gefälschten Update kompatibel sind. So viel Rechenleistung hat aber niemand, daher gilt das Bitcoin-System als sicher.

Das Problem mit dem „Proof of Work“ ist nur, dass es gigantische Mengen Energie an gänzlich unnütze Rechenaufgaben verschwendet. Da liegt die Idee nicht fern, als „Proof of Work“ lieber wissenschaftlichen Berechnungen der Plattform BOINC zu benutzen. Solch eine alternative Kryptowährung gibt es tatsächlich, der Gridcoin. Doch bei einer sich im Umlauf befindenden Gesamtmenge an Gridcoin mit einem Gegenwert von derzeit umgerechnet etwa 3,7 Millionen Dollar führt die Währung bisher nur ein Schattendasein. Was die Bitcoin-Community am Gridcoin vor allem störe, sei ein Verstoß gegen die dezentrale Struktur, erklärt der Informatiker David Anderson. Aufgrund der zentralen Verteilung der Rechenaufgaben durch die Plattform BOINC funktioniere Gridcoin eben nicht mehr vollkommen dezentral.

Für die Zukunft des Volunteer-Computing schielt Anderson daher in eine andere Richtung. Selbstfahrende Autos würden in ein paar Jahren die bei Weitem größte Ressource an Rechenleistung darstellen, glaubt er. Und weil Autos einen Großteil der Zeit nur rumstehen und nicht benutzt werden, seien sie ideal fürs Volunteer-Computing. Bei seiner Suche nach weiteren Alternativen macht Anderson zuweilen auch sehr skurrile Funde. Er habe da eine Kooperation mit einer Firma, die Hunderoboter produziere und darauf BOINC installiere, erzählt er. „Ich weiß zwar nicht, wofür die Dinger gut sind“, freut sich der Informatiker, „aber sie haben viel Rechenleistung.“

Man kann sich schließlich auch die Frage stellen, ob es nicht eine Grenze gibt, ab der selbst die theoretisch verfügbare Rechenleistung nicht mehr Schritt halten kann mit der Geschwindigkeit, mit der die Wissenschaft neue Daten erhebt. Zumindest beim Speicherplatz ist man da schon an einer Grenze angelangt. Das zeigt sich zum Beispiel an dem in Planung befindlichen Square Kilometer Array, einem riesigen Verbund von Radioteleskopen. Dieser soll den Himmel mit solch einer hohen Sensibilität untersuchen, dass man die Daten nicht mehr dauerhaft speichern kann, sondern sie in Echtzeit auswerten und dann löschen muss. Wäre da ein Neutronenstern dabei gewesen, der für die direkte Analyse der Daten noch zu schwach war – Pech gehabt. Bruce Allen hat deshalb noch eine andere Idee: Vielleicht könnte es sich in den nächsten Jahren rentieren, die Freiwilligen im Projekt auch um ein bisschen Speicherplatz zu bitten. Manch Teilnehmer hätte dann Daten zu einer Sternexplosion in irgendeiner entfernten Galaxie auf seinem Computer, die unter Umständen nirgends sonst zu Verfügung stehen. Ein kleines, exklusives Stück Universum bei sich zu Hause.

Quelle: F.A.S.
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