Motivation
Simulationen auf Hoch- und Höchstleistungsrechnern sind neben der Theoriebildung und dem Experiment sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie unerlässlich geworden. Simulationen im Bereich der computergestützten Materialwissenschaften, insbesondere zum Design neuer Materialien, zählen heute zu den typischen Anwendungen des Höchstleistungsrechnens (HPC). Hier werden vor allem physikalische Prozesse in Materialien, z.B. Ladungserzeugung und -trennung in photovoltaischen Materialien, simuliert, die experimentell nicht beobachtbar sind. Bei solchen Simulationen wird meist die Lösung eines sogenannten Eigenwertproblems aus der Mathematik benutzt. Basis dieser Berechnungen ist die ELPA-Bibliothek (Eigenvalue SoLvers for Petaflop-Applications), deren Entwicklung im Rahmen der Bekanntmachung „HPC-Software für skalierbare Parallelrechner“ (vom 29.10.2007) des BMBF gefördert wurde. Heute wird ELPA an den größten wissenschaftlichen Rechenzentren und in den wichtigsten Simulationspaketen für Berechnungen in der Materialforschung verwendet.
Ziele und Vorgehen
Durch das neue Vorhaben „ELPA-AEO“ soll die Effizienz der Simulationen weiter erhöht werden. Dazu soll die bestehende ELPA-Bibliothek um neue algorithmische Vorgehensweisen für die Lösung des Eigenwertproblems erweitert werden. Zusätzlich wird im Vorhaben eine Autotunig-Infrastruktur entwickelt, d.h. dem Anwender werden Informationen geliefert, mit welchen Einstellungen die Berechnungen für das jeweilige Problem am effizientesten durchgeführt werden können. Durch eine erhöhte Effizienz der Simulation erhalten Anwender schneller ihre Ergebnise und der Ressourceneinsatz wird reduziert. Damit sinkt auch der nicht unerhebliche Energieverbrauch solcher Simulationen. Darüber hinaus sollen die bestehenden ELPA-Löser auch auf neuartige HPC-Architekturen portiert und optimiert werden. So können die Vorteile der ELPA-Löser auf verschiedensten Rechnersystemen genutzt werden.
Innovationen und Perspektiven
Als Beispiel für eine Anwendung der Ergebnisse des Projekts sei die Simulation der Photokatalytischen Wasserspaltung (auch künstliche Photosynthese), d. h. die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Licht, angeführt. In solchen Prozessen besteht ein enormes Potential für die Energiegewinnung. Sichtbares Licht hätte grundsätzlich genügend Energie zur Aufspaltung, aber die Reaktion ist viel zu langsam und uneffektiv. Deshalb wird ein Katalysator benötigt. Die Simulationen (siehe Bild) können helfen, neue Materialen als Katalysatoren zu finden, die die Energieeffizienz der bisherigen Systeme zur Wasserspaltung soweit erhöhen, dass sie sich für kommerzielle Anwendungen eignen und damit das darin liegende Potential tatsächlich auch für die Energiegewinnung genutzt werden kann.