Panorama

Rasant kalkuliertes Plasma

08.10.2019 - Deutsche Physiker planen komplexe Simulationen mit dem schnellsten Supercomputer der Welt.

Der weltweit schnellste Supercomputer entsteht derzeit im US-Bundesstaat Tennessee: Die Unternehmen Cray und AMD installieren ihn bis zum Jahr 2021 im Auftrag des US-Energie­ministeriums am Oak Ridge National Laboratory. Dank einer innovativen Grafikprozessor-Architektur soll „Frontier“ über eineinhalb Trillionen Fließkomma-Rechen­aufgaben pro Sekunde lösen können. Er stößt damit als wohl erster Rechner in die Exaflops-Klasse vor. Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossen­dorf HZDR werden zu den ersten Nutzern gehören. Sie bilden eines von acht ausgewählten internationalen Teams. In Zusammenarbeit mit der Projektleiterin Sunita Chandrase­karan von der University of Delaware wollen die Dresdner wissen­schaftliche Pilotaufgaben entwickeln und den neuartigen Supercomputer nutzer­freundlicher für Forscher aus aller Welt machen.

Die amerikanisch-sächsische Zusammen­arbeit baut dabei auf dem Vertrauen auf, das sich die Dresdner mit ihrer Erfahrung in Teilchen-Simulationen sowie mit der Super­computer-Programmierung international erworben haben. „Frontier wird eine Schallmauer durchbrechen“, schätzt Michael Bussmann, Leiter der Abteilung CASUS – Center for Advanced Systems Under­standing am HZDR ein. „Wir können stolz darauf sein, dass uns die Kollegen aus Oak Ridge eingeladen haben, sie auf diesem Weg ins wissen­schaftliche und techno­logische Neuland zu begleiten“, sagt Guido Juckeland, der im HZDR die Abteilung für computer­gestützte Wissenschaft leitet.

Um ihren neuartigen Supercomputer rasch für die Wissenschaft nutzbar zu machen, haben die Amerikaner das Center for Accelerated Appli­cation Readiness (CAAR) eingerichtet. Die zuständige Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) des US-Energie­ministeriums hat nun acht Experten­gruppen aus aller Welt eingeladen, in der Startphase von Frontier mitzuhelfen. Jede Gruppe soll Simu­lationen zum Laufen bringen, die so nur an einem Supercomputer der Exaflops-Klasse möglich sind. Zugleich soll die jeweilige Simulation ein besonders heraus­forderndes, wissen­schaftliches Problem lösen helfen. Eines dieser Teams ist der Verbund der University of Delaware und des HZDR.

Die US-Kollegen haben diese inter­nationalen Kooperationen auch deshalb erbeten, weil ihr Frontier ein paar Besonderheiten hat. Dazu gehören dessen digitale Bausteine: Erstmals kommen für einen Hochleistungs­rechner dieser Größenordnung Grafik­prozessoren des US-Unternehmens AMD zum Einsatz. Sie gelten zwar in der Welt der normalen PCs als sehr leistungsstark. Allerdings gibt es weltweit keine Erfahrungen damit, Exaflops-Supercomputer aus diesen speziellen Chips zu bauen. Die Dresdner Experten sollen dabei helfen, die zu erwartenden Anfangs­probleme in den Griff zu bekommen.

Denn die Gruppe um Michael Bussmann hat über Jahre hinweg eine besondere Expertise für wissenschaftliche Software entwickelt. Mit ihren maßge­schneiderten Programmen können die Forscher das Zusammenspiel von Ionen und anderen winzigen Teilchen an Neutronensternen oder in Superlaser-Experimenten besonders effizient simulieren – und das auf Supercomputern mit sehr verschiedenen Bauweisen. Ihre Software-Pakete „PIConGPU“ – Partikel-Simulationen in Zellen auf Grafik­prozessoren – und „Alpaka“ gelten dabei als wegweisend. „Durch unsere Codes laufen solche Simulationen auf ganz unterschiedlichen Hardware-Plattformen sehr effizient“, schätzt Bussmann ein. Ihre Programm­bibliotheken haben die Forscher bereits an Hochleistungs­rechner angepasst, die mit Intel-, AMD- oder ARM-Hauptprozessoren rechnen oder aus Nvidia-Grafik­prozessoren gebaut sind. Für Frontier optimieren sie ihre Software nun für Supercomputer aus AMD-Grafikchips – dies ist technologisches Neuland.

Die Simulationssoftware „PIConGPU“ soll aktuelle Fragen in der Beschleuniger­physik beantworten. So arbeiten Alexander Debus und Thomas Kluge vom Institut für Strahlenphysik des HZDR an innovativen Konzepten für Hochintensitäts-Laser, mit denen sich leichte Elektronen und schwere Ionen weit effizienter und raumsparender beschleunigen lassen als es die heutigen Linear- und Ring­beschleuniger vermögen. Dabei können die laser­getriebenen Plasma­beschleuniger im Labormaßstab die maximale Elektronen-Energie kilometer­langer Linear­beschleuniger erreichen.

„Wir denken, dass wir damit Strahlenergien jenseits von zehn Giga­elektronenvolt in einem Durchgang erreichen können, ohne den Elektronen­beschleuniger mehrfach neu ansetzen zu müssen“, erklärt Debus. „In Simu­lationen wollen wir zeigen, dass wir die alten Beschränkungen überwinden können. Dafür sind aber sehr leistungs­fähige Rechner wie Frontier notwendig.“ Per Supercomputer möchten Debus und Kluge die komplexen physikalischen Phänomene während solch eines langen Beschleuniger-Durchlaufs untersuchen. Auch der erste Prototyp der neuen Laser-Beschleuniger wird zunächst in der virtuellen Super­computer-Welt gebaut, bevor die Konstruktion in der physischen Welt startet. Denkbare Einsatzfelder für solche lasergetriebenen Ionen- und Elektronen­beschleuniger sind zum Beispiel die Behandlung von Krebs­erkrankungen mittels Protonen­therapie, die Teilchen­forschung oder auch die Astrophysik.

HZDR / JOL

Weitere Infos

 

Produkte des Monats

Fluid-Struktur-Interaktion simulieren

Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

Zur Registrierung

Neues aus der Welt der Multiphysik-Simulation

Die COMSOL News 2019 enthält spannende Berichte aus den verschiedensten Bereichen der Forschung und Entwicklung. Erfahren Sie, wie Multiphysik-Simulation Smart City-Technologien verbessert, den gezielteren Einsatz von Krebs-Medikamenten ermöglicht und für eisfreie Straßen im Winter sorgen kann!

Laden Sie die COMSOL News 2019 ohne Anmeldung und kostenfrei herunter:

HIER

Produkte des Monats

Fluid-Struktur-Interaktion simulieren

Vakuum- und Niederdrucksysteme werden für unterschiedliche Zwecke, wie Elektronenmikroskope oder in der Halbleiterherstellung, eingesetzt. Forscher und Entwickler, die mit Vakuumsystemen arbeiten, nutzen verstärkt Simulation für eine effizientere Entwicklung und zur Reduktion kostspieliger Prototypen.

 

Zur Registrierung

Neues aus der Welt der Multiphysik-Simulation

Die COMSOL News 2019 enthält spannende Berichte aus den verschiedensten Bereichen der Forschung und Entwicklung. Erfahren Sie, wie Multiphysik-Simulation Smart City-Technologien verbessert, den gezielteren Einsatz von Krebs-Medikamenten ermöglicht und für eisfreie Straßen im Winter sorgen kann!

Laden Sie die COMSOL News 2019 ohne Anmeldung und kostenfrei herunter:

HIER