'Computational and Data Science': Neuer Studiengang an Uni Jena

Von Supercomputern und Simulationen: Professor Martin Bücker analysiert große Datenmengen. Dazu gibt es jetzt einen neuen Master-Studiengang.

Professor Martin Bücker will junge Menschen für die Informatik begeistern. Foto: FSU/Anne Günther

Professor Martin Bücker will junge Menschen für die Informatik begeistern. Foto: FSU/Anne Günther

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Jena. "Wenn ich off-road unterwegs bin, nehme ich einen Geländewagen und kein Dreirad", sagt Martin Bücker. Er spricht gerade von Computern, von Hochleistungsrechnern. Martin Bücker liebt Vergleiche, er bricht Dinge herunter, macht sie greifbar. Diese Art des Denkens ist charakteristisch für Informatiker. Und Martin Bücker ist nicht nur irgendein Computerspezialist, er ist Professor für "Advanced Computing" (zu Deutsch: fortschrittlicher Einsatz von Computern) an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena. Für Martin Bücker lässt sich vielleicht nicht die ganze Welt, aber doch so einiges mit seinem Computer vorhersagen.

"Wir möchten die Welt besser verstehen, warum sind denn die Dinge so, wie sie sind", charakterisiert er seine Wissenschaft. Über die Frage, ob die Welt denn aus Nullen und Einsen besteht, kann er nur müde lächeln. "Nullen und Einsen sind ja nur eine Repräsentierung von Information. Das ist ganz weit weg von der Anwendung." Und um die geht es Martin Bücker.

Für ihn sind Informatiker Problemlöser. Sie sind nicht die pizzaessenden Typen, die immer nur im Keller sitzen und in ihre Computer reinhämmern. "Das ist ein falsches, völlig verzerrtes Bild der Informatik", sagt er. "Wir sind ganz normale Leute, mit denen man reden kann." Für Informatiker sei es sogar sehr wichtig, mit anderen zu kommunizieren. Denn ihre Wissenschaft kann helfen, knifflige Probleme in anderen Disziplinen zu lösen - von Medizintechnik über Ingenieurswesen und Geo- bis hin zu Sozialwissenschaften reicht die Einsatzbreite. Informatiker sind Logiker. Sie zerlegen Probleme, abstrahieren sie. Probleme werden im Computer darstellbar; aus Datenbergen lassen Informatiker Zusammenhänge hervortreten. Informatik macht für Martin Bücker Zusammenhänge erkennbar: "Wenn man verstehen will, wie ein Gehirn arbeitet, kann man dort nur schlecht reingucken. Ob eine geplante technische Anlage explodiert, will man vielleicht gedanklich durchspielen, bevor man sie baut." In seinem Computer kann er das. Simulationen machen es möglich.

"Wenn man ein teures neues Auto entwickelt, kann man es für einen Crashtest gegen den Baum fahren lassen. Wahrscheinlich stand dann die Kamera gerade falsch und hatte nicht die richtige Perspektive auf den Zusammenprall, dann muss man noch einen weiteren Prototypen gegen die Wand fahren lassen, der Crashtest wird teuer. Im Computer ist das billiger", sagt Martin Bücker. Simulationen berechnen nicht nur die Metallschäden, sondern lassen auch verschiedene Perspektiven auf Baum und Auto zu.

Viele Dinge wurden früher nicht mit Hilfe des Computers analysiert, weil die Rechenprozesse so komplex sind, so viele Parameter und Einflussfaktoren berücksichtigt werden müssen, dass sie zu lange gedauert hätten. Man wusste, das Ergebnis würde man nicht erleben.

Heute können große Datenmengen bearbeitet werden. Der Begriff Big Data ist längst nicht mehr nur Google- und Facebook-Programmierern bekannt. Und die Daten sprechen zu Martin Bücker: Wenn eine große Menge an Daten vorliegt, können Computer Zusammenhänge erkennen, die man vielleicht nicht einmal versucht hätte, zu hinterfragen; das ist advanced Computing.

Rechenhallen in der Größe eines Fußballfeldes

Hochleistungsrechner - einer davon kostet mehrere Millionen - braucht es dafür nicht immer: "Der Supercomputer von heute ist der Universalrechner von morgen", sagt der Professor und ruft eine Webseite auf: Die 500 leistungsfähigsten Computer werden dort aufgelistet, zweimal pro Jahr wird das Ranking erhoben. Wenn Martin Bücker von Supercomputern spricht, meint er riesige Anlagen in der Größe eines Fußballfeldes, die gewöhnlich neben Energiekraftwerken gebaut werden. Das, was in diesen Rechenhallen ausprobiert wird, steckt ein paar Jahre später in ganz normalen Rechnern: "Computer sind schwer zu ranken, das ist nicht wie in der Bundesliga, wo Punkte zählen. Es gibt verschiedene Arten von Computern, manche eignen sich mehr für die eine Art von Rechenaufgaben, andere mehr für eine andere Art. Das ist wie in der Automobilindustrie. Fährt man auf einer planen Straße, nimmt man ein anderes Fahrzeug als im Gelände. So ist das auch bei Rechnern."

Martin Bücker sieht das Ergebnis der Top-500-Wertung daher kritisch, weil ein so komplexer Gegenstand wie ein Rechner auf eine einzige Kennzahl reduziert wird.

Jedem Computer, der am Ranking teilnimmt, wird die gleiche Rechenaufgabe gestellt und dann gemessen, wie lange er braucht. Wie sinnvoll diese Art des Vergleichs ist, darüber lasse sich streiten. Dennoch führt sie zu einer signifikanten Gegenüberstellung: Das, was ein Hochleistungsrechner am unteren Rand der Top 500 im Jahr 1995 rechnen konnte, schaffen heute haushaltsübliche Geräte. Die Anzahl von Rechenoperationen, die pro Sekunde ausgeführt werden können, ist seit 1995 um das 100 000-fache gestiegen. Der leistungsstärkste Rechner der Welt kann derzeit etwa 10 hoch 16 Operationen pro Sekunde ausführen, "das ist eine Eins mit 16 Nullen", betont Martin Bücker, um die schiere Größe der Zahl zu verdeutlichen. Und er kennt sich aus mit Zahlen.

Wer solch einen Supercomputer aber nutzen will, weil er große Datenmengen zu beackern hat, braucht die Hilfe eines Spezialisten. "Man kann nicht einfach das, wofür ein normales Laptop 150 Jahre brauchen würde, einen Hochleistungsrechner erledigen lassen. Das Problem ist, dass man in der Lösung anders vorgeht, man muss das Problem in Teile zerlegen und deren Lösungen dann wieder zusammensetzen", erklärt er und kommt noch einmal auf das problemlösende Denken, für ihn der Kern der Informatik, zu sprechen. Er verdeutlicht dies natürlich an einem Beispiel: Ein Problem habe verschiedene Eigenschaften, die man bei seiner Lösung ausnutzen kann. "Wenn ich von A nach B fahre, oder von B nach A, es ist die gleiche Strecke, solange es keine Einbahnstraßen gibt." Solche Besonderheiten bedenken Informatiker, wenn sie Computer mit Aufgaben füttern. Die Rechenkapazitäten in Deutschland sind pyramidenartig verteilt. Es gibt nur drei nationale Supercomputing-Zentren mit Rechnern der höchsten Leistungsklasse: in Jülich, München und Stuttgart. Daneben gibt es etwa 10 bis 15 Standorte, die hohe Rechenleistung erbringen können.

Die Informatiker der FSU nutzen meist das Rechenzentrum der Universität. "Gerade gibt es einen Antrag mit dem Ziel, die Kapazitäten in Thüringen weiter zu erhöhen." Basieren heutige Rechner auf Nullen und Einsen, könnten zukünftige Quantencomputer ganz anders funktionieren und viel höhere Rechenleistungen erbringen. Aber das ist noch Zukunftsmusik. In fünf oder zehn Jahren wird das noch nicht im normalen Computer enthalten sein.

"Es wird immer mehr Daten geben."

Immer mehr Disziplinen fragen am Institut für Informatik nach Hilfe an: "Das macht die Informatik spannend, weil man mit verschiedenen Wissenschaften zusammenarbeitet. Wir abstrahieren den Kern des Problems, dann kann man die Methode überall anwenden." Informatiker fänden derzeit alle Jobs - direkt nach dem Studium. "Und sie werden in den kommenden Jahren noch mehr gebraucht, weil Informatik eine Basistechnologie ist, die von Schifffahrt bis Versicherungs- und Finanzwesen genutzt werden kann. Es wird immer mehr Rechenprozesse und immer mehr Daten geben", lautet das Plädoyer Martin Bückers an junge Menschen.

Die Simulationen kommen überall dort zum Einsatz, wo das Experiment nicht möglich, zu aufwändig oder zu teuer wäre: in der Medizin, in der Geologie, in der Luftfahrt. So arbeitet Martin Bücker mit Geowissenschaftlern zusammen, um beispielsweise zu klären, wo ein kilometertiefes Bohrloch sinnvoll zu platzieren wäre, um dort Daten aus dem Untergrund gezielt erheben zu können. Für Mediziner errechnet er Prozesse im Gehirn: "Dort fließen Ladungen, die um den Kopf herum ein Magnetfeld erzeugen. Dieses können wir messen. Welche Reize - Musik, Bilder, Duft, Berührung -, erzeugen welche Magnetfelder. Wo passiert was im Gehirn? Das kann einem Mediziner wichtige Informationen liefern, auf denen und anderen er dann seine Entscheidung zur Therapie trifft. Er kann ja schlecht einfach aufmachen und reingucken."

Beispielsweise aber auch in der Biodiversitätsforschung werden computergestützte Methoden verwendet: Welche Folgen hat es, wenn eine Pflanze oder ein Tier ausstirbt, welchen Einfluss hat das auf den Menschen? Die Simulationen und Datenanalysen helfen, Antworten auf offene Fragestellungen zu finden.

Weil neben den Naturwissenschaften auch immer mehr andere Wissenschaftsdisziplinen - zunehmend auch Medizin und Soziologie - die Informatik benötigen, wird nun ein neuer Master-Studiengang an der Universität Jena angeboten: Computational and Data Science (zu Deutsch: Rechenintensive und datengetriebene Wissenschaften). "In diesem Bereich braucht man eine Mixtur von Kompetenzen aus Mathematik, Informatik und Anwendungsdisziplin - Leute, die sich in mehreren Bereichen auskennen." Problemlöser. Die bildet die FSU nun aus. Nach dem Magazin Harvard Business Review ist das der "Sexiest Job" des 21. Jahrhunderts.

Mehr: www.cds.uni-jena.de

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