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Glasfasern aus der Optoelektronik in der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Foto: Universität Paderborn

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Glasfasern aus der Optoelektronik in der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Foto: Universität Paderborn

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Effiziente Computerprogramme für komplexe Simulationen

Die Lösung partieller Differentialgleichungen mit Computerhilfe wird heute in zahlreichen Bereichen der Wissenschaft eingesetzt, um das Verhalten komplexer Systeme vorherzusagen. Besonders in den Natur- und Lebenswissenschaften werden dabei häufig Objekte mit unterschiedlichen Materialien und Formen simuliert. Ein Beispiel dafür ist die Vorhersage von Verschleißerscheinungen im menschlichen Kniegelenk, wo Knochen, Knorpel, Muskeln und Bänder miteinander interagieren. Bei dem Projekt „HighPerMeshes“, das vom Paderborn Center for Parallel Computing (PC2) der Universität Paderborn geleitet wird, sollen nun moderne Simulationsmethoden und die entsprechende Software entwickelt werden, um solche Prozesse untersuchen zu können. So sollen künftig auch Simulationen auf Hochleistungsrechnern möglichst schnell und effizient ausführbar sein. Das Vorhaben hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird mit rund 1,6 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

„Meistens werden derartige organisch geformte Objekte zur Simulation durch Würfel angenähert – ähnlich wie in einer Lego-Welt. Die Techniken zur Simulation solcher Modelle sind gut erforscht und werden oft eingesetzt. Die Computersimulation komplexer Formen benötigt allerdings außergewöhnlich viel Rechenzeit, da zur akkuraten Darstellung der Formen eine sehr große Menge winziger Würfel benötigt wird, deren Verhalten und Interaktionen individuell berechnet werden müssen“, erklärt Projektkoordinator Prof. Dr. Christian Plessl, Professor für Hochleistungs-IT-Systeme und Leiter des PC2.

Neuere Simulationsverfahren erlauben es, statt Würfel freie, problemangepasste Formen mit planen Oberflächen zu verwenden. Dadurch ließen sich filigrane Strukturen wesentlich besser darstellen und die Simulationszeit durch die Reduktion der simulierten Objekte beträchtlich verringern. Die Programmierung der entsprechenden Software sei insbesondere für moderne Computerarchitekturen wesentlich schwieriger, so der Experte. Daher kämen diese effizienteren Methoden noch nicht flächendeckend zum Einsatz.

„HighPerMeshes“ soll diese die Hürde zum Einsatz der modernen Simulationsmethoden nun reduzieren: „Unser Ziel ist es, die Entwicklung von Simulationssoftware, die problemangepasste geometrische Strukturen nutzt, drastisch zu vereinfachen. Dabei werden wir existierende Programmiersprachen um passende Ausdrucksmöglichkeiten erweitern und Softwareentwicklungswerkzeuge bereitstellen, mit der die Simulationen auf modernsten Hochleistungsrechnern effizient ausgeführt werden können. Wir legen besonderes Augenmerk auf die Nutzung neuartiger Computerprozessor-Typen, die eine hohe Ausführungsgeschwindigkeit mit niedrigem Stromverbrauch kombinieren“, so Plessl.

Neben der Universität Paderborn sind das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserslautern, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und das Zuse-Institut Berlin am Projekt beteiligt. Darüber hinaus wird das Konsortium durch die Firmen Computer Simulation Technology und Intel unterstützt, die ihre Expertise als assoziierte Projektpartner einbringen. Durch das interdisziplinäre Konsortium wird der komplette Prozess, ausgehend von den wissenschaftlichen Anwendungen über die Simulationscodeentwicklung bis zu den Rechenzentren, in denen die Simulationen durchgeführt werden, betrachtet. Als Leitanwendungen zur Bewertung der Projektresultate werden die Kontraktion des Herzmuskels, die Entwicklung von Arthritis im Kniegelenk, photonische Nanoantennen und die Streuung von Licht an interplanetarem Staub betrachtet.

Weitere Informationen zum Projekt sind im Internet verfügbar: www.highpermeshes.info

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