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Für die Simulation nutzten die Forscher den Sequoia Supercomputer am Lawrence Livermore National Laboratory, ein IBM BlueGene/Q System mit 1,6 Millionen Rechenkernen und einer theoretisch möglich Spitzenrechenleistung von 20,1 Petaflops. Jedes der 96 Racks von Sequoia besteht aus 1024 Rechnerknoten mit Power Chips mit 16 Kernen, die mit 1,6 GHz getaktet sind. Für die nun ausgezeichnete Forschungsarbeit nutzten die Wissenschaftler innovative Algorithmen für einen als „implicit solver“ bekannten mathematischen Ansatz. Dieser ist im Vergleich zu anderen Vorgehensweisen schwerer skalierbar, erlaubt aber eine weit grössere Detailgenauigkeit. Dank dieses Ansatzes konnte das Team die Eigenschaften der Erde in einer bisher nie dagewesenen Realitätsnähe berechnen. Den Forschern war es möglich, die Bewegungen der Erdplatten und der auf sie einwirkenden Kräfte vorherzusagen während sie die Bewegungen des darunter liegenden Erdmantels simulierten. Die Berechnung umfasste mehr als 600 Milliarden nicht-lineare Gleichungen und stellt damit einen wichtigen Meilenstein in den rechnergestützten Wissenschaften dar.
Die Wissenschaftler erzielten bei der Skalierung des Solvers eine parallele Effizienz von 97 Prozent auf 1,6 Millionen Rechenkernen, was einem neuen Rekord entspricht. Diese Leistung war nur durch die Überarbeitung aller Rahmenbedingungen für die Berechnung möglich: angefangen von dem zugrunde liegenden mathematischen Model, über die numerischen Algorithmen bis hin zur massiv-parallelen Implementierung. Das Team entwickelte einen Algorithmus, der einerseits die Simulation der sehr komplexen Eigenschaften und den vielschichtigen Aufbau des Erdmantels bewältigen kann und andererseits sehr effizient auf der massiv-parallelen Architektur des BlueGene/Q Supercomputers läuft. Erste Tests des Codes wurden auf den Rechnern des Jülich Supercomputing Centres in Deutschland durchgeführt, bevor er auf die Rechenkapazität von Sequoia skaliert wurde.
Bislang sind die fundamentalen Prinzipien der geologischen Kräfte, die die Plattenbewegungen beherrschen und damit auch Naturereignisse wie etwa Erdbeben und Vulkanausbrüche auslösen, nicht vollständig wissenschaftlich verstanden und erklärt. Die „Mantelkonvektion“, so der wissenschaftliche Ausdruck, gehört daher laut dem Nationalen Wissenschaftsrat in den U.S.A. zu den zehn bedeutendsten, noch offenen Forschungsfragen der Geologie.
„Diese nun gezeigten Fortschritte werden es ermöglichen solche grundlegenden Fragen, wie etwa nach den Antriebskräften der Verschiebung der Kontinentalplatten und nach den Hauptauslösern von grossen Erdbeben, anzugehen“, sagt Prof. Michael Gurnis, Direktor des Seismological Laboratory am California Institute of Technology.
„Entgegen der gängigen Meinung, dass die effiziente Lösung von hochgradig nicht-linearen Gleichungen auf Millionen von Rechenkernen nicht machbar ist, haben wir durch eine sehr sorgfältige Überarbeitung der Diskretisierung, Algorithmen, Solvern und deren Implementierung demonstriert, dass dieses doch möglich wäre“, erklärt Prof. Georg Stadler vom Courant Institute of Mathematical Sciences der New York University.
„Diese Forschungsarbeit ist auch für eine viel breitere Klasse von komplexen, multi-skalierten Modellen in der Wissenschaft und dem Engineering anwendbar“, ergänzt Prof. Omar Ghattas, Direktor des Center for Computational Geosciences am Institute for Computational Engineering and Sciences an der University of Texas.
„Wir haben erst damit begonnen zu erforschen, wie fortschrittlichste Algorithmen, Supercomputing und Big Data von Sensoren und dem Internet der Dinge kombiniert werden können, um realitätsgetreue Simulationen selbst von höchst heterogenen, nicht-linearen Kräften in unserer Natur durchzuführen“, sagt Dr. Costas Bekas, Manager der Abteilung Foundations of Cognitive Solutions bei IBM Research – Zürich. „Wir erarbeiten neue Wege, um riesige Mengen an vorhandenen Sensordaten zusammen mit kognitiven Technologien auf ein Thema anzuwenden, um es Fachleuten zu ermöglichen, komplexe Problemstellungen in verschiedensten Bereichen, vom Design neuer massgeschneiderter Materialien bis zur Erschliessung neuer Energiequellen, innerhalb weniger Wochen oder sogar nur Tagen zu lösen.“
Die wissenschaftliche Arbeit „An Extreme-Scale Implicit Solver for Complex PDEs: Highly Heterogeneous Flow in Earth’s Mantle“ von Johann Rudi, A. Cristiano I. Malossi, Tobin Isaac, Georg Stadler, Michael Gurnis, Peter W. J. Staar, Yves Ineichen, Costas Bekas, Alessandro Curioni, und Omar Ghattas wurde an der Supercomputing 2015 in Austin, U.S.A., präsentiert. Das Paper ist abrufbar unter: http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2807591.2807675