\chapter{Datenverarbeitung 1975--2003}
% letzte aenderung 10.10.08
\section{Das Ende der Großrechner-Ära}
\index{Datenverarbeitung}
Während der Jahre, die der Inbetriebnahme des DORIS-Speicherrings 1974
 folgten, waren die Zentralrechner am DESY stets völlig ausgelastet.
Dieser Zustand, von manchen Managern zum
Naturgesetz hochstilisiert, war nicht so tragisch wie es
klingt. Tatsächlich wurde der Wissenschaftsbetrieb dadurch nie
wesentlich behindert. Das war zum Teil auch das Verdienst der 
Mannschaft des Rechenzentrums, die sich aufs äußerste bemühte,
einen effizienten Betrieb aufrechtzuerhalten. Dies geschah durch
geschickte Optimierung der Resourcen zentrale Rechenkapazität,
Speicherplatz, Plattenperipherie und durch eine geeignete Strategie
bei der Zuteilung von Rechenzeit. 

So konnte das DESY zunächst mit
einer vergleichsweise maßvollen Steigerung der zentralen 
Rechnerkapazität überleben. Im Jahr 1975 standen zwei
Rechner IBM 370-168 mit je 3~MB(!) Hauptspeicher zur Verfügung.
\index{IBM-Rechner}
Dieses Jahr sah außerdem die Einführung der ersten Eingabegeräte
(Terminals) unter dem time-sharing System TSO, die schnell
populär wurden. Bis 1979 war deren Zahl auf 86 angestiegen, und
die Eingabe von Jobs über Lochkarten, vor 1974 die einzige Methode,
 war auf 6\% zurückgegangen. 

Seine Popularität verdankte das System
auch der DESY-eigenen Entwicklung und der Installation des \glq{}full screen 
editors\grq{} NEWLIB,
der die Editierarbeit wesentlich bequemer machte. Ein entsprechendes 
IBM-Produkt folgte erst später.\index{NEWLIB} 
  Im Jahr 1979 wurde ein dritter
Großrechner IBM 370/3033 installiert, der ein Jahr später
bereits ausgelastet war. Etwas Luft verschaffte 1981 der Übergang
von IBM- zu MEMOREX-Plattenlaufwerken. \addbigparskip

Zunächst blieb die Firma IBM
der Liebling der Wissenschaftler, machte sie doch 1984 mit dem 
EARN-Netzwerk den Physikern ein Geschenk, das erstmals die Benutzung
von e-mail ermöglichte. Dies wurde im Zeichen der stetig wachsenden
 Größe der
Kollaborationen sehr schnell ein unentbehrliches Kommunikationsmittel. \addbigparskip

Das DESY-Rechenzentrum versuchte dem wachsenden Bedarf an Rechenzeit
durch Anmietung immer größerer IBM-Rechner zu begegnen. So wurde
1982 die IBM 3081D durch eine IBM 3084Q ersetzt, eine bessere
Ausstattung mit Plattenperipherie sorgte für eine bessere 
CPU-Ausnutzung, und so stieg die genutzte Rechenzeit von 1980 bis 1987
um den Faktor 3,7 an, eine jährliche Steigerung um 20\%. Stets
arbeitete das Rechenzentrum an der Kapazitätsgrenze. \addbigparskip

Diese Entwicklung konnte so nicht weitergehen. In den 80er Jahren bereitete
sich eine Revolution in der Art der wissenschaftlichen Datenverarbeitung
vor. Ab 1982 wurden die Maschinen der Firma DEC (Digital Equipment 
Corporation) beim DESY zunehmend verwendet.
 Ihre Architektur und ihr Betriebssystem VMS waren
sehr benutzerfreundlich; im Vergleich mit der JCL (job control
language) von IBM war dies ein Fortschritt.
\index{DEC}
So kam es 1990, auch auf Druck der wachsenden internationalen Nutzer-Gemeinde,
zu der Installation einer Gruppe von VAX 6410-Rechnern im 
Rechenzentrum, die sich sofort großer Beliebtheit erfreuten.  \addbigparskip

Nach der Genehmigung des HERA-Speicherrings 1984 war 
 eine enorme
 Steigerung des Bedarfs an Rechenzeit vorhersehbar. Dies erklärte
sich aus zwei Tatsachen: Der HERA-Speicherring würde eine wesentlich
größere Zahl von interessanten Ereignissen als die bisherigen
Beschleuniger-Anlagen liefern, und diese Reaktionen waren wegen ihrer 
höheren Energie
auch komplizierter und benötigten für die Auswertung sehr viel
mehr Rechenzeit. Damit war es erforderlich, eine kostengünstigere 
Lösung zu finden, als die IBM-Großrechner sie bieten konnten.

Eine erste Idee hierfür war 
der Einsatz von   Vektorrechnern. Ein Versuch mit dem Vektorrechner
IBM 3090/150E wurde 1988 unternommen, doch er war nicht sehr erfolgreich -- 
übrigens auch am CERN nicht. Der Grund war,
dass sich die in der Hochenergiephysik benutzten Rechnerprogramme nicht gut 
zur Vektorisierung eigneten. \index{Vektorrechner}  \addbigparskip

Dieser Versuch einer Lösung ging damit am Kern des Problems vorbei:
Die Großrechner vom Typ IBM 3090 waren Alleskönner,
während die Anforderungen in der Teilchenphysik eher spezieller Natur waren:
Hohe Rechenleistung für viele wiederkehrende gleichartige
Aufgaben und die Möglichkeit der schnellen Speicherung  vieler 
Daten. 

Eine bessere Lösung bot sich durch den Einsatz vieler parallel
arbeitender Prozessoren an, die durch Netzwerke mit Daten gefüttert
würden. Dies wurde möglich durch wichtige
technische Entwicklungen in der Mitte der 80er Jahre: Die Technologie der VLSI
(very large scale integration) und die Entwicklung von
RISC-Prozessoren, die über einen im Vergleich mit den Großrechnern
 eingeschränkten Instruktionssatz verfügten.
Diese Rechner waren billig und zuverlässig und bildeten 
die Basis für eine kostengünstige Lösung des Rechnerproblems.
Dazu kam die Entwicklung von effizienten Netzwerken zur 
Datenübertragung. Damit
wurde für die HERA-Zeit eine völlig neue Konzeption des
Rechenzentrums geplant: An Stelle einiger weniger Großrechner würde
die Rechenleistung durch viele kostengünstige kleine Arbeitsstationen
erbracht werden, die mit Kassetten-Robotern zur Datenspeicherung
verbunden waren. Im Jahr 1991 waren die ersten 30 Prozessoren der Firma
 Silicon Graphics im Betrieb und damit hielt auch das Betriebssystem
UNIX Einzug. \index{UNIX}\index{Rechnerfarm}  \addbigparskip

Dies läutete den endgültigen Abschied
von IBM auf dem DESY-Gelände ein. Wie konnte es dazu kommen? An
mangelnder Sympathie für IBM beim DESY konnte es nach den jahrzehntelangen
guten Erfahrungen nicht liegen. Doch die Zeichen an der Wand waren
deutlich. Schon 1985 war im TASSO-Experiment der im Weizmann-Institut
entwickelte IBM-Emulator 370/E in Betrieb, der aus preiswerten Einzelteilen
zusammengebastelt war und einen erheblichen Bruchteil der 
Rechenkapazität einer großen IBM-Maschine hatte, bei vergleichsweise
sehr geringen Kosten. Allerdings benötigte er für die
Ein- und Ausgabe von Daten noch das Rechenzentrum. Am FNAL wurde um dieselbe
Zeit die Rechnerfarm ACP-II entwickelt (\glq{}Advanced Computer Project\grq{}),
die als Vorbild für eine Rechnerfarm am ZEUS-Experiment bei HERA
diente, welche eine (eingeschränkte) Rekonstruktion der gemessenen
Reaktionen in Echtzeit ermöglichte~\cite{Bh89}.
 Im Übersichtsvortrag von Rudi Böck~\cite{Bo89} vom CERN auf der
 internationalen Konferenz
\glq{}Computing in High Energy Physics\grq{} in Oxford 1989 wurden diese
Entwicklungen gut dargestellt. 
 Derartigen
Entwicklungen gegenüber übte sich IBM in vornehmer Zurückhaltung.  \addbigparskip

\section{Datenverarbeitung in der HERA-Zeit}
\index{HERA Datenverarbeitung}
Die Technik der Datenverarbeitung, Kommunikation und Datenanalyse
entwickelte sich unaufhaltsam mit großer Geschwindigkeit. Damit
musste die DESY"=Rechnerabteilung (nun Informationstechnik IT
genannt) Schritt halten. Die Forschung am DESY, allen voran die 
HERA-Experimente, erzeugten größere Datenmengen als je zuvor.
 Sie mussten ausgewertet,
 gespeichert und
gesichert werden. Zu allem Überfluss wollten die Physiker die
Daten hinterher auch noch auswerten, was nichttriviale Anforderungen an die
Datentechnik stellte. 

Die Analyse der Daten inklusive der Simulationsrechnungen 
erforderte riesige Mengen Rechenzeit. Zur Bewältigung der
Datenflut, die 1992 einsetzte,
verfolgten das Rechenzentrum und die Benutzer die Strategie, die teure
Rechenzeit von den IBM-Mainframes auf preisgünstige Cluster von
Prozessoren der Firmen HP und Silicon Graphics zu verlagern. Begünstigt 
wurde dies
dadurch, dass diese Firmen immer schnellere und preiswertere Prozessoren
anboten, sowie durch den Einsatz
von Speicherrobotern zur Aufnahme der enormen Datenmengen und durch den
Einsatz schneller Netzwerke zur Verbindung all dieser Geräte. \addbigparskip

Allerdings musste das Rechenzentrum (IT) jetzt Dienste bereitstellen, die
bisher das IBM-Betriebssystem übernommen hatte, wie die Organisation der
Eingabe und Ausgabe von Daten, das Zusammenspiel der Prozessoren, die 
Speicherung und die
Datensicherung. Dafür hatte IT einige Jahre Zeit,
solange der IBM-Großrechner und die neue Architektur nebeneinander
bestanden. Für die Lösung dieser Aufgaben war die
\glq{}Client-Server-Architektur\grq{} sehr hilfreich, die von verschiedenen
Universitäten und Firmen entwickelt worden war. Auch auf dem 
organisatorischen Gebiet hatte dies Änderungen zur Folge.
 Sie reichten von der Neuverteilung
der Arbeit über die Erstellung neuer Dienste mit zentralen
Servern bis zu einer Umgestaltung des Rechnerraums. \addbigparskip

Im Jahr 1996 war es soweit: Der Betrieb der IBM-Rechner wurde -- bis auf
Anwendungen in der Verwaltung -- eingestellt. Damit verbunden war der
Wechsel zum Betriebssystem UNIX, mit Änderungen wie z.\,B.
 von dem guten alten, am DESY entwickelten NEWLIB-Editor
zu dem unter UNIX arbeitenden Editor emacs. \addbigparskip

Im folgenden werden einige Einzelheiten dieser Entwicklung geschildert.  \addbigparskip

\subsection*{Arbeitsstationen und PCs}
%\addbigparskip
\index{Arbeitsstationen}

Bei DESY bildeten sich als Schwerpunkte zwei große Gruppen von Systemen. 
Für die wissenschaftliche Arbeit entwickelten sich Arbeitsstationen unter 
LINUX zum de facto-Standard. Da das System kommerziell nicht
unterstützt wird, musste DESY eine entsprechende Struktur für die Wartung
entwickeln. Ende 2001 waren etwa 500 LINUX-Systeme im Gebrauch, 2003 war
ihre Zahl bereits auf etwa 900 Systeme gestiegen. 
  \index{LINUX}\index{Arbeitsstationen}\index{Windows}

Den anderen Schwerpunkt bildeten PCs unter Windows. Ihre Zahl nahm schnell 
zu, von anfänglich etwa 1000 auf fast 2000 im Jahr 2003, so dass sich DESY 
zur  Einführung von Standards veranlasst sah. 
Zunächst war das Windows NT, später erfolgte die Migration zu Windows 2000
und dann zu Windows 2003. Diese PCs deckten die nicht wissenschaftlichen
Aufgaben ab: Beschleunigerkontrollen,
Verwaltung, Sekretariatsdienste, Kommunikationsdienste und die Unterstützung 
von technischen Aufgaben wie z.\,B. CAD. 

Im Rechenzentrum selbst waren alles in allem etwa 1000 Systeme installiert.
Diese Rechner mussten gewartet werden, und zusätzlich verbrauchten sie Strom,
und das nicht zu knapp. Dies erforderte zusätzliche Investitionen in die
Stromversorgung und die Klimatisierung.  \addbigparskip  

\subsection*{Datenspeicherung}  
\index{Datenspeicherung}


Die Rate der von den Experimenten an das Rechenzentrum 
übertragenen Daten
nahm immer mehr zu. Dementsprechend erhöhte sich auch das Volumen des 
Zugriffs
auf die gespeicherten Daten für die Auswertung. In den Jahren 1986/87 war
die Grenze des Erträglichen erreicht, indem im Mittel jede Minute
ein Magnetband auf- oder abgehängt werden musste. So installierte das DESY im
März 1987 einen der ersten Band-Roboter in Europa, eine STK (Storage
 Technologies) 4400 Nearline
aus den USA. Das war der Beginn einer neuen Technologie der Registrierung und 
Speicherung von Daten. \addbigparskip

Physiker sträuben sich, Daten zu löschen, die unter großen Mühen und mit
 großen 
Kosten gewonnen wurden. Damit nimmt der Umfang der Daten, die
gespeichert werden müssen, unaufhörlich zu. Das Rechenzentrum musste
deshalb eine immer größere Speicherkapazität bereitstellen. Das waren
zu Beginn der HERA-Messungen 100~TB ($10^{14}$~Byte) und erreichte 2003 die
phantastische Größe von 1,5~PB (Petabyte, 1~PB=$10^{15}$ Byte). Hierzu
wurden kostengünstige Lösungen gefunden in der Form von Kasettensilos
der Firma Storage Technologies. 
Eine kostengünstige Lösung erlaubt aber 
nicht immer einen schnellen Zugriff auf die gespeicherten Daten. Deshalb
wurde zusammen mit dem FNAL ein DiskCache-(dCache) System entwickelt.
 Es stellt ein Interface mit einem Zwischenspeicher zwischen dem 
Massenspeicher und den \index{dCache}
Benutzern dar und kann entsprechend dem Benutzerprofil optimiert werden. Es
ging 2001 für die HERA-Experimente in Betrieb.

\section{Entwicklungen der Informationstechnologie in der HERA-Zeit}
Der rapide Fortschritt der Informationstechnologie eröffnete neue
Mög\-lichkeiten der Kommunikation unter dem Stichwort Netze und 
natürlich durch das Internet. So erschien 1993  die
erste DESY Web-Seite.\index{Datennetze}\index{Internet}  \addbigparskip

Der Ausbau und die Pflege von Datennetzen wurde zu
einer wichtigen Aufgabe der IT.
Ab 2002 wurde der drahtlose Netzanschluss (WLAN) von PCs und Laptops 
eingeführt.  \addbigparskip

Ein weiteres wichtiges Projekt, GRID, war am CERN gestartet worden. Es ist
\index{GRID} 
ein globales Netzwerk von Rechnern. Es ermöglicht seinen Benutzern 
 Zugriff zu der Rechnerleistung der einzelnen 
Knoten und auch eine dezentrale Speicherung von Daten.
Auf diese Weise plant CERN, die von den LHC-Experimenten erwartete
Datenflut und den damit verbundenen ungeheuren Bedarf an Rechenzeit für die
Analyse auf ein weltweites Netz von Rechnern zu verteilen. 

Diese Idee ist
nicht neu. Schon 1994 hatte Burkhard D. Burow \index{Burow} von der 
ZEUS-Kollaboration das \index{Funnel}
sogenannte Funnelsystem eingerichtet \cite{Bur95}. Mit diesem System 
wurden die sehr Rechenzeit-intensiven Simulationsrechnungen auf viele
Rechner der Kollaboration verteilt. GRID ist allerdings viel allgemeiner 
und
umfassender und entsprechend aufwändiger. Das DESY beteiligte sich nach
einigem Zögern an diesem Projekt. Ab 2003 dienten die 
HERA-Experimente als \glq{}Testbed\grq{}, indem sie Rechnerkapazität für das GRID
zur Verfügung stellten und auch nutzten. \addbigparskip

Daneben soll eine wichtige Leistung für die internationale 
Wissenschaftsgemeinde nicht vergessen werden.
Mit Hilfe des am DESY versammelten Expertenwissens wurde im Jahr 1993 eine 
Satellitenverbindung nach Moskau erstellt -- die Antenne stand und steht auf 
dem 
DESY-Gelände. Ein Jahr später erfuhr dies eine Erweiterung, indem Stationen
in der Ukraine, in Kasachstan und Georgien in dieses Netz eingebunden
wurden. Dieses von der NATO finanzierte Netz erlaubte zahlreichen 
Universitäten und anderen wissenschaftlichen
Instituten in diesen östlichen Ländern, am globalen wissenschaftlichen
Datenaustausch teilzunehmen. \addbigparskip

 




%%% Local Variables: 
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "master"
%%% End: 
