HPC-Statuskonferenz 2023
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.

3xa: Hans-Joachim Bungartz, Technische Universität München, Philipp Neumann (Vortrag GA Tagung), Karsten Meier, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg, Christoph Niethammer, Michael Resch, HLRS, Jadran Vrabec, Technische Universität Berlin
Das Projekt „3xa: Exascale-Simulationssoftware für Systeme mit Dreikörperwechselwirkungen“ zielt auf die Entwicklung skalierbarer Methoden für Dreikörperwechselwirkungen in Partikelsystemen. In einem interdisziplinären, holistischen Ansatz sollen 1) vektorisierte Kernels und auto-tuning-basierte, systemunabhängige Multi- und Manycore-Algorithmik auf Knotenebene, 2) neue dynamische Lastverteilungsansätze, innovative Zonal-Methods-Ansätze für optimales Strong-Scaling und verbesserte Inter-GPU-Knoten-Kommunikation auf Inter-Knoten-Ebene, sowie 3) adaptive Verfahren für Partikeldarstellungen, sog. Adaptive Resolution-Schemata, eine skalierbare dreikörperpotenzialbasierte Partikelsimulation auf Exascale-Systemen etablieren. Exemplarisch soll dies in Anwendungen der chemischen Industrie demonstriert werden.

CoMPS: Ulrich Rüde, Harald Köstler (Vortrag GA Tagung), FAU Erlangen-Nürnberg, Barbara Wohlmuth, TU München, Marcus Mohr, Hans-Peter Bunge, LMU München, Maximilian Höb, Dieter Kranzlmüller, Bayerische Akademie der Wissenschaften, Leibniz-Rechenzentrum
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Simulationsumgebung für die Modellierung physikalischer Phänomene in der Geodynamik über mehrere Größenskalen hinweg. Dafür sollen mehrere hochskalierbare Simulationsprogramme miteinander gekoppelt werden, die sowohl auf kontinuierlichen als auch auf diskreten Modellen beruhen. Neben der Entwicklung neuartiger Techniken zur Codegenerierung liegt der methodische Schwerpunkt auf der Untersuchung von fortschrittlichen numerischen Algorithmen mit variabler Berechnungsgenauigkeit. Dies ermöglicht effiziente Lösungen für komplexe physikalische Schnittstellenprobleme. Code: TerraNeo (fau.de)

FlexFMM: Ivo Kabadshow, Jülich Supercomputing Centre, Research Centre Jülich
Ziel des FlexFMM Projektes ist die Durchführung hoch-realistischer MD Simulationen unter Verwendung einer flexiblen fast multipole-basierten Elektrostatik in GROMACS. Damit werden Biomoleküle in komplexen chemischen Umgebungen äußerst realistisch modelliert, indem sie dynamische Protonierungen mittels Kopplung an einen konstanten pH-Wert erlaubt. Zudem ermöglicht die Verwendung der FMM neue Anwendungen dank gitterfreier Darstellung inhomogener und nicht-periodischer Systeme. Zusammen mit Sipearl wird im Co-Design prototypische Exascale Hardware der ARM-Architektur mit SVE-Vektoreinheiten und HBM-Speicher im Entwicklungszyklus berücksichtigt. Das Projekt erlaubt damit ein tiefgreifenderes Verständnis biomolekularer Prozess und die Beschleunigung biomedizinische Entwicklungen auf modernsten, europäischen HPC Systemen.

MExMeMo: Marcus Müller, Institut für Theoretische Physik, Georg-August-Universität Göttingen
Herstellungsverfahren weicher Materialien – hier: isoporöser Polymermembrane – mittels digitaler Zwillinge rechnergestützt zu planen und zu optimieren ist eine große Herausforderung da komplexe Prozesse von der makromolekularen Struktur bis zur Membranmorphologie auf der Skala von Mikrometern gekoppelt sind. Selbst mit zukünftigen Exascale-Supercomputern wird eine systematische, skalenübergreifende Untersuchung des vollständigen Herstellungsprozesses komplexer Materialen mittels teilchenbasierter Modelle allein nicht möglich sein. Das Projektziel ist es, unser teilchenbasiertes Simulationsprogramm SOMA mit einer Kontinuums- beschreibung mittels Heterogener Multiskalen Methode und Machine-Learning Techniken nahtlos und effizient zu koppeln, um damit die großen Zeit- und Längenskalen der Membranmorphologie zu erfassen und gleichzeitig den durch das Teilchenmodell hergestellten und für das Materialdesign essentiellen Bezug zu molekularen Eigenschaften beizubehalten. Beide, Teilchen- und Kontinuumsmodell, stellen unterschiedliche Anforderungen an die Computer-Hardware. Dies ist ein idealtypischer Anwendungsfall für das Konzept der modularen Supercomputerarchitektur (MSA), wie dem JUWELS-Cluster-Booster-System in Jülich. Ein zu entwickelnder Koordinator orchestriert die Kopplung der beiden Modellierungsebenen und verwaltet die Zuteilung der Ressourcen auf der MSA. Über die konkrete Anwendung hinaus wird der Koordinator eine effiziente Nutzung von MSA-Systemen und einen vereinfachten Zugang durch minimalen Portierungsaufwand der zu koppelnden Anwendungen ermöglichen.

Die Projekte PDExa, StroemungsRaum und ADAPTEX beschäftigen sich mit der Verbesserung verschiedener Anwendungen der Computational Fluid Dynamics (CFD).

Das Projekt PDExa entwickelt effiziente Verfahren höherer Ordnung für partielle Differentialgleichungen mit einem Fokus auf inkompressiblen Strömungen auf komplizierten Geometrien. Die zentrale Projektkomponente sind matrixfreie Implementierungen iterativer Löser, welche mit modernen Vorkonditionierern wie Mehrgitterverfahren ausgestattet werden. Diese Verfahren werden über Abstraktionen für CPU/GPU-basierte Hardware mittels Software-Komponenten der Finite-Elemente-Bibliothek deal.II und der Lineare-Algebra-Software Ginkgo im CFD-Anwendungscode ExaDG gebündelt.

Im Projekt StroemungsRaum soll ausgewählte Industrieanwendungen auf zukünftige Exascale-Computing-Architekturen vorbereiten. Die entsprechende Realisierung von Computational Fluid Dynamics (CFD) Anwendungssoftware im industriellen Kontext erfordert hochskalierende Methoden. Diese Methoden lösen hochdimensionale und instationäre (nicht)lineare Gleichungssysteme und müssen so in die Anwendungssoftware integriert werden, dass sie auch von Nicht-HPC-Experten aus der Industrie genutzt werden können. Insbesondere die Open-Source-Software FEATFLOW ist ein zentraler Bestandteil der StroemungsRaum-Plattform, die vom Industriepartner des Projekts IANUS seit Jahren erfolgreich eingesetzt wird. Im Rahmen des Gesamtprojektes wird FEATFLOW methodisch und durch parallele hardwarenahe Implementierungen erweitert.

In ADAPTEX wird ein Open-Source Exascale-fähiges Framework mit AMR für Anwendungen in der Erdsystemmodellierung entwickelt. Das Zentrum bildet dabei ein exascale-fähiges CFD-AMR Framework bestehend aus einem Gitterverwaltungssystem (t8code), einem Strömungslöser (Trixi.jl), sowie einem Adaptionsmodul (Multiwave). Durch das entstehende Framework soll die Auflösung in Simulationen und die Ressourceneffizienz verbessert werden (HYDRO_AS, SERGHEI, MESSy, MPTRAC). Das Ziel ist ein Framework, welches einfach in weiter Anwendungen zu integrieren ist.

Die ICON-Software ist der zentrale Baustein der nationalen Initiative für Erdsystemmodellierung und wird sowohl vom Deutschen Wetterdienst (DWD) für die operationelle Wettervorhersage als auch zur Erstellung von Klimaprognosen sowie generell in der Forschung verwendet. Das vom DWD und dem Max Planck Institut für Meteorologie gemeinsam entwickelte ICON-Modell basiert auf physikalischen Grundlagen für die Beschreibung der Atmosphäre und der Ozeane und spannt dafür ein Netz aus Dreiecksgittern um die Erde. So divers wie die besonders gesellschaftsrelevanten Anwendungsfelder von ICON sind auch die verschiedenen HPC-Architekturen, auf denen ICON Anwendung findet. Daraus entstehen für die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Computerwissenschaften und der geowissenschaftlichen Forschung besondere Herausforderungen. Die SCALEXA Projekte IFCES2 und ExaOcean tragen zur Bewältigung dieser bei und zielen darauf ab, mit neuartigen Ansätzen die Performanz des ICON Modells auf zukünftigen Exascale-Rechnern sicherzustellen. IFCES2 wird zu diesem Zwecke neuartige Methoden der parallelen Ausführung, Kommunikation und der dynamischen Lastbalancierung für ICON implementieren und optimieren. ExaOcean kombiniert numerische Algorithmen mit Techniken des Maschinellen Lernens in einem “super-resolution” Ansatz, um effektiv hohe Auflösung auch mit größeren Gitterweiten zu erzielen und somit den Durchsatz des Modells zu verbessern. Die entwickelten Techniken sind eine notwendige Voraussetzung für die effiziente Nutzung zukünftiger Exascale-Rechner, ermöglichen eine erhebliche Erhöhung des Detailgrades von Erdsystemmodellen und tragen damit zur Verringerung der Unsicherheiten zukünftiger Klimaprojektionen bei.

Große Datenmengen bleiben eine Herausforderung für (wissenschaftliche) Anwendungen. In dieser Session werden zunächst Herausforderungen beim Umgang großer Datenmengen aufgeführt und aktuell geförderten Projekte als Ansätze vorgestellt.
Die Projekte DaREXA-F, TOPIO und MCSE bieten unterschiedliche Lösungsansätze. Die Projektleiter stellen die einzelnen Projekte kurz vor und zeigen wie sich diese ergänzen und voneinander abgrenzen.

In diesem Vortrag werden die 4. vom BMBF geförderten KI-Servicezentren vorgestellt. Zunächst wird ein Überblick über die Förderschiene und die Gemeinsamkeiten von Hessian AI, KISSKI, KISZ-BB und WestAI gegeben. Die Spezialitäten der einzelnen Zentren werden aufgezeigt. Abschließend wird ein Ausblick auf die Chancen und Risiken der gemeinsamen und differenzierenden Ansätze gegeben.