JARA-HPC: Computersimulation mit Hochleistungsrechnern

  Forschende in der CAVE, einem Raum für virtuelle 3D-Simulation Peter Winandy

Computersimulationen sind neben Theorie und Experiment die dritte Säule der Forschung geworden und ermöglichen Erkenntnisse, die uns aus physikalisch-technischen oder finanziellen Gründen bislang verwehrt blieben. Von Simulationen können fast alle Wissenschaftsgebiete profitieren: von der Medizin über die Ingenieurwissenschaft und die Materialwissenschaften bis hin zur Umwelt- und Energieforschung. Viele Simulationen benötigen allerdings die gewaltige Rechenleistung von Supercomputern.

 

Hochleistungsrechnen im Dienst der Wissenschaften

Die Wissenschaftler der Sektion JARA-HPC – kurz für „High Performance Computing“ – verbinden das Know-how für das hochparallele Rechnen auf Höchstleistungscomputern mit der jeweils fachspezifischen Forschungskompetenz beispielweise der Medizin, der Ingenieurwissenschaften und anderer wissenschaftlicher Disziplinen.

Auf diese Weise tragen sie wesentlich dazu bei, die Möglichkeiten von Computersimulationen für die Beantwortung aktueller Forschungsfragen voll auszunutzen. Verwirklicht wird dieser Anspruch mit Hilfe einer einzigartigen Organisationsstruktur, zu der so genannte Simulationslabors – Simulation Laboratories, SimLabs, Querschnittsgruppen – Cross-Sectional Groups, CSGs, die JARA-HPC-Partition und JADE gehören.

Beispiele aus der Forschung

JARA-HPC-Forscher haben mit Simulationen unter anderem Blutpumpen verbessert, die das Herz von Schwerkranken unterstützen, und ein virtuelles Gehirn geschaffen, mit dem Hirnforscher die Verbindungen des realen Gehirns besser als bisher erkunden und verstehen können.

Sie haben ungewöhnliche magnetische und elektronische Eigenschaften von Materialien berechnet und dabei Wissen erworben, das hilft, neuartige Bauelemente oder Datenspeicher zu bauen.

Ein letztes Beispiel: JARA-HPC-Wissenschaftler entwickeln Computersimulationen, mit denen sich vorhersagen lässt, wie sich menschliche Aktivitäten und Maßnahmen auf den Artenreichtum von Wiesen und Weideflächen im Nationalpark Eifel auswirken werden.

Organisationsstruktur

In den SimLabs verbinden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von JARA-HPC die fachspezifische Forschung mit den notwendigen Modellierungsansätzen und numerischen Methoden für das hochparallele Rechnen auf Supercomputern.

In bis dato drei SimLabs werden Anwender unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen gezielt bei der Entwicklung neuer und der Optimierung bereits bestehender Simulationsanwendungen unterstützt:

  • SimLab Highly Scalable Fluids & Solids Engineering: Forschung und Unterstützung von Anwendern aus der Struktur- und Strömungsmechanik bei der Nutzung massiv paralleler Systeme.
  • SimLab ab initio Methods in Chemistry and Physics: Forschung und Unterstützung von Anwendern von ab initio-Simulationen in Chemie, Physik und Materialwissenschaften.
  • SimLab Neuroscience: Entwicklung von Modellen und Datenbanken für große Netzwerksimulationen des Gehirns. Die Arbeiten in den SimLabs werden gezielt durch die Cross-Sectional Groups unterstützt. Diesen Teams gehören Mathematiker und Informatiker an, deren methodisches Know-how allen Nutzern von Hochleistungsrechnern zugutekommt.

Die Arbeiten in den SimLabs werden gezielt unterstützt durch die sogenannten Querschnittsgruppen – Cross Sectional Groups oder CSGs. Diesen Teams gehören Mathematikerinnen und Mathematiker sowie Informatikerinnen und Informatiker an, deren methodisches Know-how dem Nutzen von Hochleistungsrechnern zugutekommt:

  • CSG Immersive Visualization: Entwicklung von Algorithmen zur immersiven und interaktiven sowie zur räumlich verteilten und kooperativen Visualisierung.
  • CSG Parallel Efficiency: Entwicklung von Algorithmen zur Analyse und Steigerung der Leistung paralleler Programme.

Mit der Einrichtung der JARA-HPC-Partition, bestehend aus Anteilen der in Aachen – RWTH Compute Cluster – und Jülich – JUQUEEN und JURECA – installierten Hoch- und Höchstleistungsrechner sollen den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern beider Standorte projektbezogen und ortsnah die notwendigen Rechner-Ressourcen in der individuell benötigten architektonischen Vielfalt garantiert und der Zugang zu den Höchstleistungsrechnern geebnet werden.

Die Rechnerkapazität in der JARA-HPC-Partition wird stetig ausgebaut, um auch zukünftig exzellente Bedingungen für die Arbeit und Forschung mit und in den Simulationswissenschaften anbieten zu können.

Mit der Initiative JADE – Jülich Aachen Data Exchange wird das Ziel verfolgt, den Austausch großer Datenmengen zwischen dem Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen anwenderfreundlicher und effizienter zu gestalten

Seed Fund

Bereits im Zukunftskonzept I hat sich das Instrument der Seed-Funds für die Förderung vielversprechender, aber noch nicht drittmittelfähiger Projekte bewährt.

Aus diesem Grund hat JARA auch im Zukunftskonzept II insgesamt 750.000 Euro für Seed-Fund-Projekte zur Verfügung gestellt. Diese Seed-Fund-Gelder konnten im Frühjahr 2014 von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich gemeinsam eingeworben werden.

Insgesamt rund 23 Projektanträge mit einem Antragsvolumen von rund 5,1 Millionen Euro wurden von externen Gutachtern bewertet. Fünf der besten Anträge erhielten für die Laufzeit von 18 bis 24 Monaten ein Fördervolumen von jeweils 125.000 beziehungsweise 250.000 Euro.

Folgende Seed-Fund Projekte wurden in JARA-HPC im ZUK II gefördert:
NESTML - A modelling language for spiking neuron and synapse models for NEST
Hybrid parallelism for the Jülich DFT code FLEUR
Interactive Volume Rendering of Massive Data on the Blue Gene Active Storage Architecture
Development of a DEM process model for HPC of vibratory finishing

A method framework for high-performance data mining of Monte Carlo Protein Simulations