Internationales Forscherteam gewinnt mit Rekordsimulation den renommierten Gordon Bell-Preis

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Zürich, Schweiz, 22. November 2013—Wissenschaftler der ETH Zürich und des IBM Forschungszentrums in Rüschlikon realisierten in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität München und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) die bisher umfangreichsten Simulationen auf dem Gebiet der Fluiddynamik. Die Arbeit wurde diese Woche an der führenden Supercomputing Konferenz in Denver vorgestellt und mit dem Gordon Bell-Preis der Association for Computer Machinery (ACM) ausgezeichnet — eine der bedeutendsten Auszeichnungen im Supercomputing.

Die Forscher simulierten gleichzeitig 15’000 implodierende Gasbläschen in einer Flüssigkeit. Dies stellt eine 150-fache Verbesserung des bisher möglichen dar. Die Arbeit ermöglicht ein besseres Verständnis über das Verhalten von Gas-Flüssigkeitsgemischen und die Auswirkungen von implodierenden Bläschen. Dies ist für verschiedene Anwendungen von grosser Bedeutung, etwa in der Medizin zum Entfernen von Nierensteinen, in der Krebsbehandlung oder in der Automobiltechnik zur Effizienzsteigerung von Hochdruckeinspritzdüsen.

Für die Simulationen nutzte das Forscherteam 1,6 Millionen Rechenkerne des aus 96 Racks bestehenden IBM BlueGene/Q-Rechners „Sequoia“ am LLNL, einem der weltweit schnellsten Supercomputer. Bei den Simulationen wurde eine bisher unerreichte Dauerrechenlast von 14,4 PetaFLOP/s erzielt — 73 Prozent der theoretisch möglichen Spitzenleistung Sequoias. Beim Hochleistungscomputing in Fluiddynamik gelten bereits 10 Prozent als sehr guter Wert. Auch der verwendete Code wurde entscheidend verbessert: Er läuft ganze 20-mal schneller als der bis anhin beste.

Die Simulationen stellen die als Kavitation bekannte Implosion einer Bläschenwolke in einer Flüssigkeit dar. Die Entstehung und den heftigen Kollaps von Bläschen in einer Flüssigkeit tritt bei schnell bewegten Objekten im Wasser wie Wasserturbinen, Propellern oder auch in Einspritzungsmotoren auf. Durch die gleichzeitige Implosion der Bläschen entstehen kurzzeitig Druckspitzen mit bisweilen zerstörerischem Potenzial. Kavitation kann grosse Schäden an Propellern oder Verbrennungskammern in Motoren verursachen. Sie kann jedoch auch medizinisch eingesetzt werden, etwa um Nierensteine zu zertrümmern. Seit kurzem wird die Kavitation auch genutzt, um Tumorzellen zu vernichten und Medikamente am richtigen Ort effizient einzusetzen.

Die Heftigkeit und die extrem kurze Zeitspanne, in der die Bläschen kollabieren, haben es sowohl experimentell arbeitenden Forschern als auch Computerwissenschaftlern bis anhin erschwert, den Vorgang quantitativ zu beschreiben und dadurch besser zu verstehen. Denn solche umfangreiche Simulationen in der Fluiddynamik stellen äusserst hohe Anforderungen an die Parallelisierung und die Rechnerarchitektur.

Geleitet wurde das Weltrekordprojekt von der Gruppe des ETH-Professors Petros Koumoutsakos am Computational Science & Engineering Lab. Für ihn ist die Rekordsimulation das Resultat einer 10jährigen Entwicklungsarbeit, die eine grundlegende Problematik der rechnergestützten Wissenschaft adressiert: die immer grösser werdende Kluft zwischen dem Potenzial der Hardware und deren effektiven Nutzung zur Lösung von technischen Fragestellungen. Die nun vorgestellte Arbeit setzt neue Massstäbe in der effektiven Hardwarenutzung. „Diese Herausforderung besteht insbesondere bei Strömungssimulationen, die notorisch schwierig auf massiv parallele Computerarchitekturen zu übertragen sind“, betont der ETH-Professor.

Möglich geworden ist dieser Rekord unter anderem dadurch, dass im IBM BlueGene/Q-System von IBM eine Reihe von neuen Hardware- und Softwarekomponenten eingesetzt wurden. „Diese haben es uns erlaubt, einen ultra-skalierbaren Code zu entwickeln, dessen Leistungsfähigkeit eine Grössenordnung besser ist, als die der bisherigen Technik“, betont Dr. Alessandro Curioni, Leiter des Mathematical and Computational Sciences Departements am IBM Forschungszentrum. „Auch in Zukunft wird die Top500-Liste der schnellsten Supercomputer grosses weltweites Interesse wecken. Die Evolution des Supercomputings wird jedoch viel präziser gemessen an den Einsatzbereichen dieser Maschinen und wie sie dazu genutzt werden, die weltweit dringendsten Probleme für die Menschheit und Unternehmen zu lösen.“