Neuer Hochleistungsrechner für die Bielefelder Physik

14.05.2019

Die Fakultät für Physik an der Universität Bielefeld bekommt einen neuen Hochleistungsrechner zur Erforschung der Eigenschaften stark wechselwirkender Elementarteilchen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden damit das Verhalten von Elementarteilchen unter extremen Bedingungen untersuchen, wie sie im frühen Universum Bruchteile einer Sekunde nach dem Urknall existierten, aber auch heute noch im Inneren schwerer Sterne vermutet werden. Der Hochleistungsrechner wird neue Forschungsarbeiten ermöglichen, die die Bielefelder Teilchenphysik derzeit im Sonderforschungsbereich „Stark wechselwirkende Materie unter extremen Bedingungen“ in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen an der Technischen Universität Darmstadt und der Goethe Universität in Frankfurt am Main durchführt. Der neue Rechencluster wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und mit zusätzlichen Mitteln des Landes NRW mit 1,9 Millionen Euro finanziert. Er wird am 20. Mai offiziell an der Universität Bielefeld eingeweiht. Ab 16 Uhr finden Vorträge geladener Sprecher im Hörsaal 6 des Hauptgebäudes der Universität statt.

Der neue Hochleistungsrechner ist bereits die fünfte Generation von Spezialrechnern, die die Bielefelder Arbeitsgruppe seit mehr als 25 Jahren betreibt. Allerdings ist der neue Rechner mehr als 100.000-mal schneller als der erste, 1993 installierte Rechner, der in Bielefeld zur Erforschung der Struktur von stark wechselwirkender Materie betrieben wurde. Die Bielefelder Physikerinnen und Physiker der Arbeitsgruppe „Computersimulationen und Gitterfeldtheorie“ um Professor Dr. Frithjof Karsch, Dr. Olaf Kaczmarek und Dr. Christian Schmidt werden auf dem neuen Rechner noch genauere Untersuchungen der Eigenschaften dieser exotischen Zustandsform von Elementarteilchen-Materie durchführen können. Schon seit einiger Zeit ist bekannt, dass Systeme von Elementarteilchen bei hohen Temperaturen und Dichten neuartige Eigenschaften aufweisen, die daraus resultieren, dass die Elementarteilchen selbst aufgespalten werden und ihre Substruktur sichtbar wird. Diese Bausteine, Quarks und Gluonen, werden unter  extremen Bedingungen frei gesetzt, etwa bei Temperaturen, die 100.000 mal höher sind als die im Inneren unserer Sonne, und führen zu ganz neuen Eigenschaften stark wechselwirkender Materie. Die Untersuchung dieses sogenannten Quark-Gluon-Plasmas wird experimentell mit großen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider in Genf oder dem relativistischen  Schwerionenbeschleuni­ger in Brookhaven bei New York durchgeführt. An den theoretischen Vorhersagen und der Beschreibung der experimentellen Befunde arbeiten die Bielefelder Teilchenphysikerinnen und -physiker derzeit im Rahmen des Sonderforschungsbereiches in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen in Darmstadt und Frankfurt am Main.

Die Arbeitsgruppe „Computersimulation und Gitterfeldtheorie“ erforscht mit dem Hochleistungsrechner stark wechselwirkende Materie: Prof. Dr. Frithjof Karsch, Markus Klappenbach, Dr. Olaf Kaczmarek, Dr. Christian Schmidt (v.l.). Foto: Universität Bielefeld, H. Sandmeyer
Die Arbeitsgruppe „Computersimulation und Gitterfeldtheorie“ erforscht mit dem Hochleistungsrechner stark wechselwirkende Materie: Prof. Dr. Frithjof Karsch, Markus Klappenbach, Dr. Olaf Kaczmarek, Dr. Christian Schmidt (v.l.). Foto: Universität Bielefeld, H. Sandmeyer

Die jetzige Rechnerinstallation besteht wie ihr Vorgänger aus einem eng gekoppelten System von speziellen Grafikprozessoren (GPUs), wie sie auch in dem weltweit schnellsten Rechner dieser Art zum Einsatz kommen, dem Summit Supercomputer am Oak Ridge National Laboratory in den USA. Der Bielefelder Rechner enthält 224 NVIDIA Tesla V100 Tensor Core Grafikprozessoren, von denen jeweils acht GPUs über einen speziellen, schnellen Interconnect (NVIDIA NVLink) eng miteinander verbunden sind. Diese Komplexe werden durch jeweils zwei konventionelle Prozessoren (CPUs) gesteuert, wie sie auch in handelsüblichen Computern benutzt werden. Alle CPUs können über ein schnelles Infiniband-Netzwerk miteinander kommunizieren. Dadurch lassen sich komplexe Rechnungen parallel auf allen Recheneinheiten durchführen. Diese können im Extremfall 3,5 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde (3,5 PetaFLOPS) durchführen und dabei auf den gesamten Speicher aller Recheneinheiten zugreifen, der insgesamt 17 Terabyte beträgt. Gegenwärtig wird der neue Rechner in Bielefeld aufgebaut. Bei der Installation des Hochleistungsrechners arbeitet die Universität Bielefeld mit den Firmen sysGen GmbH und NVIDIA zusammen. Die sysGen GmbH ist ein Ausrüster für Computertechnik, NVIDIA ist ein weltweit führender Hersteller von Grafikprozessoren (GPUs).

Während die Anschaffung des größten Teils des Rechners durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und das Land NRW mit 1,9 Millionen Euro finanziert wird, hat auch die Universität Bielefeld einen Teil des Rechners mitfinanziert, um die spezialisierten GPU-Resourcen auch anderen Forschenden der Universität zugänglich zu machen. Sie können in Zukunft durch ein einfaches Antragsverfahren Zugang zum neuen GPU-Cluster erhalten und gegebenenfalls auch Unterstützung durch das IT-Servicezentrum (BITS) der Universität beim Einstieg in die GPU-Nutzung für ihre Forschungsprojekte erhalten.  Startbereit sind bereits die Arbeitsgruppen „Data Science“ und „Decision and Operation Technologies“ der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften um Professorin Dr. Christiane Fuchs und Professor Dr. Kevin Tierney, die die neuen GPU-Resourcen für ihre Forschungsprojekte nutzen werden.

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