Motivation
Komplexe Phänomene in den Natur- und Ingenieurwissenschaften werden dank der rapide steigenden Rechenleistung immer öfter mit Hilfe von realitätsgetreuen Simulationstechniken erforscht. Für die Entwicklung neuer Materialien mit besseren Werkstoffeigenschaften, sowie für die Optimierung von Herstellungs- und Fertigungsprozessen sind moderne und hocheffiziente Simulationstechniken heute unverzichtbar. Sie ersetzen hier zu einem großen Teil die traditionellen zeit- und kostenintensiven Experimente, die sonst für die Materialentwicklung und die Qualitätssteigerung von Werkstoffkomponenten erforderlich sind.
Ziele und Vorgehen
Die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes werden ganz wesentlich durch die Ausbildung der Mikrostruktur beim Herstellungsprozess – d.h. bei der Erstarrung aus der Schmelze – festgelegt. Die Simulation des Erstarrungsprozesses (siehe Abbildung) kann dabei wichtige neue Erkenntnisse über experimentell nicht beobachtbare Gefügeausbildungsprozesse liefern. Dies ermöglicht es, den Einfluss auf die erzielte Struktur systematisch zu analysieren. Simulationsbasierte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für diese Problemstellung erfordern eine sehr feine räumliche und zeitliche Auflösung, um alle relevanten physikalischen Effekte abzubilden. Um auf künftigen Großrechensystemen derartige Probleme mit vielen Tausend Rechenknoten lösen zu können, muss die eingesetzte Simulationssoftware nicht nur in der Lage sein, diese vielen Rechenknoten gleichzeitig zu nutzen, sondern sie muss darüber hinaus auch eine maximale Rechenleistung bei möglichst geringem Ressourcenverbrauch liefern. Neben der eigentlichen Rechenzeit gewinnt hier auch der Energieverbrauch der Supercomputer eine erhebliche Bedeutung.
Innovationen und Perspektiven
Im Vorhaben SKAMPY wird als Basis das Programmpaket waLBerla verwendet, ein komplexes Softwareframework für Supercomputer, das vom Konsortium bereits entwickelt wurde. waLBerla soll erweitert werden, um neue anwendungsorientierte Probleme der Materialwissenschaften zu lösen. Dabei kommen speziell entwickelte Programmiermethoden zum Einsatz, die eine besonders gute Ausnutzung der Supercomputer ermöglichen. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie für die Simulation von Erstarrungsprozessen in Metalllegierungen wurde bereits die Leistungsfähigkeit des Ansatzes und die Portierbarkeit auf die Architekturen aller drei deutschen Höchstleistungsrechner gezeigt, so dass das Projektkonsortium nun bestens aufgestellt ist, um Supercomputersimulationen auch für zukünftige, noch deutlich komplexere Forschungsaufgaben nachhaltig nutzbar zu machen. Hiermit wird es in Zukunft möglich, neue Materialien mit speziellen Eigenschaften virtuell am Computer zu entwerfen.