HPC-Statuskonferenz 2025
Hoch- und Höchstleistungsrechnen in Deutschland

Das gemeinsame Ziel dieser SCALEXA Projekte ist die Erweiterung und Effizienzsteigerung von extrem großen Simulationen mit Foki auf u.a. Partikelsimulationen unter Berücksichtigung komplexer Wechselwirkungen oder der Kopplung an Kontinuumsmodelle. In allen Fällen wird durch die Forschungsarbeit sowohl eine fundamentale Erweiterung hin zur Nutzung von Exascale-Computern als auch die realistische Beschreibung von synthetischen oder anwendungsnahen (bspw. biomolekular, geodynamisch) Prozessen angestrebt.



MExMeMo: Marcus Müller, Institut für Theoretische Physik, Georg-August-Universität Göttingen, Volker Abetz, Institut für Physikalische Chemie, Universität Hamburg, Christian Cyron, Institut für Werkstoffsystem-Modellierung, Helmholtz-Zentrum Hereon GmbH, Geesthacht, Andreas Herten, Jülich Supercomputing Centre,Forschungszentrum Jülich, Simon Pickartz, ParTec AG, Jülich und München

Die rechnergestützte Planung und Optimierung von Herstellungsverfahren weicher Materialien mittels digitaler Zwillinge – hier am Beispiel isoporöser Kopolymermembranen – ist hochkomplex, da Nichtgleichgewichtsprozesse von der molekularen Skala (Nanometer) bis hin zur Membranmorphologie (Mikrometer) gekoppelt sind [1–5]. Ziel des Projekts MexMeMo ist die nahtlose Verknüpfung des teilchenbasierten Simulationsprogramms SOMA mit einer effizienten Kontinuumsbeschreibung (Uneyama-Doi-Modell, UDM) und Methoden des maschinellen Lernens. So lassen sich anwendungsrelevante große Zeit- und Längenskalen erfassen, ohne den für das Materialdesign entscheidenden Bezug zu molekularen Eigenschaften zu verlieren.

Mit SOMA konnten wir bereits zentrale Prozessschritte wie Lösemittelverdampfung, Nichtlösemittel-induzierte Phasenseparation und glasartiges Erstarren detailliert untersuchen und mit Experimenten vergleichen [1–3]. Desweitern wurde eine hybride Kopplung zwischen der detaillieren Teilchensimulation SOMA und dem recheneffizienten Kontinuumsmodell UDM realisiert, bei der maschinelles Lernen gezielt jene zeitabhängigen Raumbereich (propagierende Strukturbildungsfront) identifiziert, in denen eine hochauflösende Teilchensimulation notwendig bleibt. Die unterschiedlichen Anforderungen beider Modellierungsebenen machen eine modulare Supercomputerarchitektur (MSA) – hier das JUWELS-Cluster-Booster-System am Jülich Supercomputing Centre – besonders geeignet. Ein Koordinator orchestriert die Kopplung, verwaltet Ressourcen dynamisch und ermöglicht den Datenaustausch zwischen SOMA und UDM via MPI im HDF5-Format. Das resultierende Multiskalen-Framework reduziert den Rechenaufwand um etwa eine Größenordnung und erlaubt eine systematische Optimierung von Membranmaterialien [3], beispielsweise die gezielte Einstellung der Porengröße durch Kopolymer-Mischungen [5]. Über diese konkrete Anwendung hinaus eröffnet die Koordinator-Software eine effiziente Nutzung von MSA-Systemen und erleichtert den Zugang durch minimalen Portierungsaufwand für die Kopplung von Anwendungen.

[1] Evaporation-induced self-assembly of diblock copolymer films in an electric field: a simulation study, O. Dreyer,L. Schneider, M. Radjabian, V. Abetz, and M. Müller, Macromolecules 56, 6880 (2023)
[2] Simulation of membrane fabrication via solvent evaporation and nonsolvent induced phase separation, N. Blagojevic and M. Müller, ACS Appl. Mater. Interfaces 15, 57913 (2023) Err 16, 12115 (2024)
[3] Towards predicting the formation of integral-asymmetric, isoporous diblock copolymer membranes, N. Blagojevic, S. Das, J. Xie, O. Dreyer, M. Radjabian, M. Held, V. Abetz, and M. Müller, Adv. Mater. 36, 2404560 (2024)
[4] On efficient simulation of self-assembling diblock copolymers using a peridynamic-enhanced Fourier spectral method, F. Mossaiby, G. Häfner, A. Hermann, C. Cyron, M. Müller, S. Silling, and A. Shojaei, Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 439, 117878 (2025)
[5] Process-dependent control of structure size in binary diblock-copolymer blends, J. Xie and M. Müller, preprint

targetDART: Dynamic Migration of OpenMP GPU Kernels in Heterogeneous Clusters
targetDART is a novel runtime to let OpenMP target tasks be dynamically distributed between all nodes and devices of a heterogeneous GPU cluster. Programmers can modify the device clauses in an MPI+OpenMP-target application to specify migrateable kernels. Load is redistributed dynamically to mitigate temporary imbalances.
We evaluate the performance of task migration on a generic use case and for the hyperbolic PDE engine ExaHyPE.

Enhancing OpenFOAM with GPUs and New Algorithms - An Overview of the EXASIM Project
The EXASIM project had the ambitious goal to improve the performance of OpenFOAM by leveraging GPU hardware and utilizing modern algorithms. This presentation provides an overview of the anticipated results of the project and examines the specific software and simulation tools developed within the EXASIM project, which are accessible as open-source software via our public repository at github.com/exasim-project . As a case study, insights obtained from the 1st OpenFOAM HPC Challenge will be discussed.

Im NAAICE-Projekt wurden programmierbare Beschleunigermodule (FPGAs) über das Netzwerk nutzbar gemacht. Diese neuartigen Network-Attached Accelerators (NAAs) versprechen gegenüber direktgekoppelten Beschleunigern mehr Flexibilität, eine bessere Auslastung und gleichzeitig einen geringeren Energieverbrauch. Der Vortrag geht auf Erfahrungen und Probleme bei der High-Level-Synthese zur Programmierung der NAAS und auf die Einbindung der NAAs in das Ressourcen-Management-Systems eines HPC Data Centers ein.

Sei es für Simulationen in den Ingenieurswissenschaften, in Chemie, Medizin oder im Bereich Cloud-Systeme und KI: Supercomputingsysteme gewinnen kontinuierlich an Bedeutung. Um die Wirklichkeit möglichst genau digital abzubilden werden zunehmend leistungsfähigere Supercomputer benötigt. Bei immer kleiner werdenden Technologien in der Chipentwicklung erhöht sich die Leistungsaufnahme dieser Systeme; die schnellsten liegen bereits bei über 25 MW Leistungsaufnahme. Beschleunigerhardware bietet Leistungs- und Effizienzvorteile für parallele Anwendungen. Mit der Entwicklung des Stencil- und Tensorbeschleuniger (STX) Systems arbeitet das Fraunhofer ITWM zusammen mit den Instituten IIS und IZM an einem Architekturansatz, der hohe Leistung mit sehr guter Energieeffizienz und realistischen Kosten für die Entwicklung verbindet. Das System wird mit einem Faktor von 3 bis 4 effizienter als GPU basierte Systeme sein und soll demnächst in Pilotsystemen zur Verfügung stehen. Im Projekt STXDemo kooperieren die Fraunhofer Institute mit der Zollner AG und den Rechenzentren der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) sowie dem FZJ, um eine auf PCI Gen5 basierende Beschleunigerkarte und das Systemkonzept umzusetzen. Ihr Ziel: Erste Pilotsysteme mit Schlüsselanwendungen aus der Quantenchromodynamik sowie der Strömungsdynamik in 2025. Weitere Informationen: https://www.itwm.fraunhofer.de/stx .

Durch intelligente Steuerung und Betrieb von HPC-Anlagen im Windrad ist ein möglicher Lösungsweg für die Zukunft aufgezeigt ... der Aufbau eines gekoppelten Energie – und Rechenzentrums mittels direkter Sektorenkopplung und Clusterung am Edge.

Climate simulations are highly demanding, both computationally and energetically, creating challenges for sustainable high-performance computing. In the EECliPs project, we aim to make climate simulations with ICON more energy-efficient by running coupled experiments on suitable heterogeneous architectures. Our custom-built cluster integrates state-of-the-art CPUs and accelerators, enabling us to evaluate representative experiments across diverse hardware configurations. ICON supports the simulation of atmosphere, ocean, and ocean biogeochemistry on independent compute nodes, offering a flexible testbed for exploring heterogeneous setups. Using various energy-measurement techniques, we assess the efficiency of each architecture and design combined experiments to advance sustainable climate modelling.