Unter der Leitung der Wissenschaftler Wolfgang Eckhardt und Hans-Joachim Bungartz (alle TU München) haben Forscher des LRZ, der Universität Paderborn, der Universität Kaiserslautern und des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart einen neuen Weltrekord bei der Simulation der Dynamik von Molekülen aufgestellt. Mit ihrem Programm „ls1 mardyn“, das sie im Rahmen des BMBF-geförderten Projektes IMEMO weiterentwickelten, konnten sie erstmals die riesige Zahl von 4,125 Billionen Teilchen bei ihren Bewegungen simulieren. Damit wurde der bisherige Rekord auf das Vierfache erhöht. Dieser Rekord wurde möglich, weil die Gruppe aus Experten verschiedener Gebiete die Berechnungsmethoden gemeinsam so weiterentwickelten, dass sie sowohl für die Lösung des wissenschaftlichen Problems geeignet sind als auch besonders gut auf die Rechnerarchitektur des Höchstleistungsrechners am LRZ „SuperMUC“ passen. Dazu wurde die Simulation der Molekulardynamik so programmiert, dass sie die Hardwareeigenschaften des SuperMUC besonders effizient ausnutzt und für jedes Molekül nur sehr wenig Speicherplatz für seinen gegenwärtigen Ort und Geschwindigkeit benötigt. Dadurch war es erstmals möglich, 146.016, also fast alle Prozessorkerne des „SuperMUC“ gleichzeitig und dank des schnellen internen Netzes höchst effizient am gleichen Rechenproblem arbeiten zu lassen. Auch die dabei erreichte tatsächliche Rechenleistung von 591,2 Teraflops setzt einen Meilenstein bei der Bearbeitung eines realen wissenschaftlichen Problems.
Zugleich wurde ein Software-Design entwickelt, das die rechenintensiven Teile kapselt, so dass Programmierer aus anderen Gebieten, z.B. der Verfahrenstechnik, den Programmcode für ihre fachspezifischen Anwendungen weiterentwickeln können, ohne sich mit Hardware-naher Programmierung beschäftigen zu müssen.
Die Simulation ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum direkten Vergleich mit Laborexperimenten. So entsprechen z. B. 4,125 Billionen Teilchen des Edelgases Krypton im flüssigen Zustand dem Volumen eines Würfels von 6,3 Mikrometer Kantenlänge. Damit wird es bald möglich sein, die Ergebnisse derartiger Simulationen mit den Ergebnissen von Messungen vergleichen zu können – ein wichtiger Fortschritt auf dem Weg zu zuverlässigen Erkenntnissen über Eigenschaften der Materie, die z. B. für die Verfahrenstechnik sehr wichtig sind.
Damit wird es möglich, Grenzflächenphänomene wie die Oberflächenspannung und ihre Abhängigkeit von der Größe eines Tröpfchens besser zu verstehen, später auch das Verhalten ganzer Tröpfchen, ihrer Bildung und Wechselwirkung sowie das Verhalten bei Flüssigkeitsmischungen und bei Strömungen im Nano-Bereich – alles Fragen, die nicht nur im technischen Umfeld, sondern auch im Alltag wichtig sind.
Diese wissenschaftliche Leistung wurde heute auf der International Supercompu-ting Conference 2013 in Leipzig mit der Auszeichnung der Partnership for Ad-vanced Computing in Europe (PRACE) gewürdigt. Dieser Weltrekord belegt ein weiteres Mal, dass unser Code ls1 mardyn effizient im massiv-parallelen Höchstleistungsrechnen eingesetzt und dabei ideal auf die Anforderungen aktueller Supercomputer abgestimmt werden kann. Die Auszeichnung durch PRACE haben wir deshalb vor allem dem interdisziplinären Ansatz bei der Softwareentwicklung und dem großen persönlichen Einsatz unserer Kollegen von der TU München und dem Leibniz-Rechenzentrum zu verdanken", erklärte Martin Horsch, der am Lehrstuhl für Thermodynamik (LTD) der TU Kaiserslautern die Entwicklung des Simulationsprogramms ls1 mardyn koordiniert.
Weitere Informationen und Verweise auf wissenschaftliche Artikel finden Sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Innovatives Supercomputing in Deutsch-land“, die anlässlich der ISC’13 veröffentlicht wurde und über die Webseite inside.hlrs.de elektronisch oder in gedruckter Form bezogen werden kann.