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26.07.11 13:13 Alter: 9 Jahre
Kategorie: Top-News, Unternehmens-News
Von: Arno Kral / Nina Eichinger

JUGENE berechnet Wechselwirkung von drei Billionen Teilchen in nur elf Minuten

Die von Jülicher Wissenschaftlern verbesserte FMM-Methode beschleunigt Computer-Simulationen entscheidend


JUGENE 80

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JUGENE 63

JUGENE 63

Forschungszentrum-Jülich-Logo

Jülich – Am 21. Juli 2011 war es so weit: Während eines Testlaufs mit dem Supercomputer JUGENE hatten die Forscher ein System aus drei Billionen (3.011.561.968.121) Teilchen in gut elf Minuten berechnen können – Weltrekord! Das neue Verfahren optimiert die sogenannte schnelle Multipol-Methode (FMM = "Fast Mulipole Method"), die einen der Top-10-Algorithmen des 20. Jahrhunderts für wissenschaftliche Simulationen darstellt.

 

Interessierten Anwendern stellen die Wissenschaftler Ivo Kabadshow und Holger Dachsel vom Jülich Supercomputing Centre (JSC) den Quellcode ab sofort kostenlos zur Verfügung. Denn von dem optimierten Algorithmus können andere, deutlich kleinere Anwendungen, ebenfalls profitieren: Die schnelle Multipol-Methode dient generell dazu, räumlich unbegrenzt wirkende Wechselwirkungen zwischen Teilchen zu berechnen. Dazu zählen die in der Praxis häufig wichtigsten physikalischen Kräfte:

  • Die Gravitation, Grundlage für den Zusammenhalt des Weltalls und von Sonnensystemen sowie
  • die elektromagnetische Wechselwirkung, Grundlage für die Ausbreitung von Licht, Elektrizität, chemische Reaktionen und den Aufbau von Feststoffen, Molekülen und Atomen.

Da in solchen Systemen jedes Teilchen mit jedem anderen wechselwirkt, steigt die Gesamtanzahl aller zu berücksichtigenden Wechselwirkungen quadratisch mit der Anzahl der Objekte schnell auf extreme Ausmaße an.

Eine direkte Berechnung der Wechselwirkungen zwischen drei Billionen Teilchen würde einen Superrechner wie JUGENE, der mit 294.912 Prozessoren ausgestattet ist, für einen einzigen Durchgang 32.000 Jahre beschäftigen, einen gewöhnlichen PC sogar eine Milliarde Jahre lang. Mit Hilfe der schnellen Multipol-Methode lassen sich dagegen weit entfernte Teilchen zu Clustern zusammenfassen, die dann durch sogenannte Multipol-Momente beschrieben werden. Damit müssen nicht mehr alle Wechselwirkungen einzeln berechnet werden. Mit dem in Jülich optimierten Algorithmus auf ließ sich die Rechenzeit mit Deutschlands schnellstem Superrechner JUGENE auf 695 Sekunden verkürzen.

Großangelegte Simulationen wie die zur Evolution des Universums in der Astrophysik waren bisher auf mehrere hundert Milliarden Teilchen beschränkt. Um diese Grenze nach oben zu verschieben, "schraubten" die Jülicher Wissenschaftler am benötigten Speicheraufwand. "Superrechner wie JUGENE haben trotz ihrer extremen Rechenleistung häufig relativ kleine Speicher pro Prozessor, in der Regel weniger als ein PC. Deshalb ist die Teilchenanzahl eher durch den Speicher als durch die Prozessorleistung beschränkt", berichtet der Wissenschaftler Ivo Kabadshow.

Zur Optimierung entwickelte das Jülicher Team einen neuen Algorithmus zur automatischen Fehlerkontrolle und Rechenzeitminimierung. Dieser reduziert den Speicherbedarf und beschleunigt die Rechnung. "Die FMM galt schon immer als schnelle Methode. Aber bisher war es kaum möglich, sie optimal einzustellen. Die benötigte Rechenzeit hängt von drei verschiedenen Parametern ab, die sich gegenseitig beeinflussen und im Prinzip fortlaufend neu angepasst werden müssten. Durch eine unzureichende Anpassung dieser Parameter kann sich die Rechenzeit schnell um das zehn- bis hundertfache erhöhen", erläutert der Jülicher Forscher Holger Dachsel. Besonders die Anwender werden deshalb von der einfachen Handhabbarkeit der verbesserten Methode profitieren. Denn die Jülicher FMM stellt alle Parameter automatisch fortlaufend optimal ein und erlaubt so einen einfacheren Zugang zum Algorithmus. Die in Zusammenarbeit mit dem Argonne National Laboratory (ANL) und der TU Chemnitz entwickelte Bibliothek ist ab sofort frei verfügbar.

Welches Potenzial Supercomputing im Bereich von Simulationen bietet, hatte Prof. Dr. Achim Bachem, Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich, am 30. November 2010 in einem exzellenten Vortrag vor den Bayerischen Technik- und Wissenschafts-Journalisten klar gemacht. Damals hatte der Regionalkreis Süd der TELI im Rahmen eines Jour-fixe zusammen mit dem Internationalen Presseclub München zur Veranstaltung "Supercomputing – Stand und Perspektiven einer europäischen Schlüsseltechnologie" eingeladen. Professor Bachem hatte klar skizziert, warum die Wissenschaft mehr als Hirn und Labor, nämlich Supercomputiung, benötigt: "Die Simulation ist die dritte Säule der Erkenntnis weil sie Bereiche darstellt, die für Experiment und Theorie unzugänglich sind."

Die Anwendung der Fast Mulipole Method ist ein treffliches Beispiel für diese These. Denn Professor Bachem hatte gefordert: "Wir brauchen Forscher, die neue Modelle UND neue Theorien bauen, die inhärent parallel arbeiten". Dann nämlich lässt sich das Supercomputing selbst ausweiten. Den größten Supercomputer betreibt laut Professor Bachem die Filmindustrie. Supercomputer haben geholfen, das größte Passagierflugzeug, den Airbus A380 zu bauen, wenngleich beschränkt auf die Triebwerks-Simulation. "Ein komplettes Flugzeug ist noch nicht simulierbar", sagte Bachem. Dazu brauche es Exascale-Computer, die erst in etwa zehn Jahren verfügbar seien. Die aber müssten ganz anders aufgebaut sein als die bestehenden Supercomputer, denn sonst sei das Energie-Problem nicht lösbar: JUGENE benötigt für die Rechenleistung von 1 PetaFLOP 2,5 Megawatt an elektrischer Energie." (FLOP = Floating Point OPeration) Für die die gewünschte und erforderliche Vertausendfachung seien neue Wege nötig, denn sonst wäre das High-Performance Computing am Ende. Die angestrebte, um das Tausendfache effizientere Lösung aber wäre universell einsetzbar, etwa in Handys, Smartphones oder für Speicher – wie auch für die Rechenzentren der Großen: "Google verarbeitet 400 Millionen Anfragen pro Tag, und jede verbraucht sechs Wattstunden", sagte Bachem. Da hilft nur neue Rechentechnik. "Exaflop-Computer brauchen eine disruptive Technologie um nicht mehr als 20 Megawatt zu verbrauchen", sagte Bachem (1 ExaFLOP = 1000 PetaFLOPS). Ein menschliches Gehirn leistet 10 bis 100 Petaflops, und verbraucht dabei gerade einmal 30 Watt.


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