/ Tanya Petersen
Schweizer Forschende erhalten Zeit auf Europas schnellstem Supercomputer
Forschende des Square Kilometer Array Switzerland (SKACH) Konsortiums werden die grösste jemals zugeteilte Anzahl von Node Hours auf Europas Supercomputer LUMI-G nutzen können, um eine Simulation durchzuführen, die die Rolle von Turbulenzen und Schwerkraft im Universum untersucht.
Forschende, die am Schweizer Konsortium des internationalen Square-Kilometer-Array-Observatoriums (SKAO), dem grössten und empfindlichsten Radioobservatorium der Welt, das sich derzeit im Bau befindet, mitarbeiten, haben für 12 Monate 5.500.000 Node Hours, welche 22 Millionen GPU-Stunden entsprechen, auf dem LUMI Supercomputer in Finnland erhalten. Nach ihrer Inbetriebnahme werden die SKAO-Teleskope die Geschichte des Universums bis zur kosmischen Morgendämmerung zurückverfolgen, als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten.
Mit finanzieller Unterstützung der Platform for Advanced Scientific Computing und SERI, im Rahmen des SKACH-Konsortiums, haben die Forschenden einen hochmodernen hydrodynamischen Code namens SPH-EXA entwickelt, mit dem das Verhalten von Flüssigkeiten und Plasmen auf Supercomputern simuliert werden kann. Dies ist wichtig, da das Universum hauptsächlich aus Gasen und Plasmen besteht. Mit den auf Europas grösstem Supercomputer vergebenen Node Hours wird der Code nun eine Simulation erstellen, um die Bildung protostellarer Kerne, Vorläufer von Sternen wie unserer Sonne, zu untersuchen.
"Dies zu verstehen, wird uns helfen, die Verteilung der Sternmassen zu verstehen, was wichtige Auswirkungen auf die beobachtbaren Eigenschaften von Galaxien hat. Ausserdem wollen wir mit diesem Projekt das sogenannte Mixing untersuchen, um herauszufinden, warum es eine scheinbare Homogenität in Sternhaufen gibt, die nicht wirklich gut verstanden wird", erklärt Rubén Cabezón, Astrophysiker und wissenschaftlicher Programmierer am Zentrum für wissenschaftliches Rechnen (sciCORE) der Universität Basel, Teil des SKACH-Teams und leitender Forscher bei SPH-EXA.
"Dies entspricht der grössten Turbulenzsimulation, die jemals durchgeführt wurde, aber zum ersten Mal beziehen wir die Eigengravitation mit ein, die wir für den Kollaps der Sternkerne benötigen und die eine grosse Herausforderung darstellt, da die Berechnungen mit Gravitation viel Rechenleistung erfordern", so Cabezón weiter.
Ein weiteres wichtiges Element des Projekts ist das Testen des Codes selbst. Florina Ciorba ist Professorin für High-Performance Computing an der Universität Basel, ebenfalls Teil des SKACH-Teams und leitende Forscherin von SPH-EXA.
"Ich habe davon geträumt, Zugang zu einer solch riesigen Maschine für eine Anwendung zu haben, und mein Ziel ist es, zu sehen, wie sich die Simulation als Softwarecode auf dieser Maschine verhält. Mich interessiert, ob es Engpässe oder Ineffizienzen in der Art und Weise gibt, wie die Simulation das System nutzt", erklärt Ciorba. "Bestimmte Phänomene zeigen sich nicht im kleinen Massstab, aber sie werden im grossen Massstab erscheinen und sichtbar sein, und ich möchte verstehen, was in der Zeit passiert, die wir für die Simulation vorausgesagt haben."
Während seines Betriebs wird das SKAO eine noch nie dagewesene Menge an Daten sammeln, die die schnellsten Supercomputer der Welt benötigen, um sie nahezu in Echtzeit zu verarbeiten. Dieses Simulationsexperiment trägt dazu bei, die Entwicklung von Codes voranzutreiben, die durch High-Performance Computing und maschinelle Lerntechniken verbessert werden, um diese grossen Datenströme zu verarbeiten.
"Mit diesem Code und der Auflösung, die wir dank der LUMI-G-Zuweisung erreichen können, können wir die interstellare Turbulenz mithilfe der partikelbasierten Strömungsdynamik modellieren, was in der Vergangenheit immer problematisch war, und das ist entscheidend, um die Entstehung von Sternen verfolgen zu können", fügte Lucio Mayer, Leiter des Instituts für Computational Science an der Universität Zürich, der auch Teil des SKACH-Teams und Hauptforscher in SPH-EXA ist, hinzu.
Diejenigen, die eng mit dem Projekt verbunden sind, darunter Ralf Klessen, Professor für theoretische Astrophysik an der Universität Heidelberg, ein Pionier der Computer-Astrophysik, sind der Ansicht, dass der multidisziplinäre Charakter des Projekts eine echte Stärke darstellt. "Fortschritte an der Spitze der Wissenschaft beruhen auf der Zusammenführung von Fachwissen in vielen verschiedenen Forschungsbereichen. In unserem Fall hängen die geplanten Simulationen und ihre angemessene Interpretation von den Beiträgen der Informatik, der angewandten Mathematik und der Datenanalyse sowie der theoretischen Astrophysik und der beobachtenden Astronomie ab. Diese Kombination eröffnet neue Wege, um besser zu verstehen, wie sich Sterne und Sternhaufen im turbulenten mehrphasigen interstellaren Medium in Galaxien wie unserer Milchstrasse bilden."
Rubén Cabezón berichtet von der Begeisterung im gesamten Team, als es von der LUMI-G-Zuteilung erfuhr: "Es gibt so viel weitere Forschung, die daraus entstehen kann, nicht nur in der Astrophysik und Kosmologie, sondern auch in der Computerwissenschaft, und das macht es so interessant. Es wird eine sehr, sehr spannende Zeit werden."
Für folgendes Projekt, das für die EuroHPC Extreme Scale Allocation Call entwickelt wurde, wurde die LUMI-G-Zuteilung vergeben: "TGSF: The Role of Turbulence and Gravity in Star Formation, Unveiling the sonic scale with Smoothed Particle Hydrodynamics".
Hinter dem Antrag steht das Team von SKACH SPH-EXA:
Projektleitung:
Lucio Mayer - PI, Kosmologie, Computergestützte Astrophysik, SPH-Spezialist
Rubén Cabezón - Co-PI, Computergestützte Astrophysik, SPH-Spezialist, Entwickler von SPH-EXA
Florina Ciorba - Co-PI, Informatik, High-Performance Computing, Load Balancing Spezialistin
Softwareentwicklung, Simulationen und Datenanalyse:
Sebastian Keller - Computerwissenschaftler, HPC, Entwickler von SPH-EXA
Osman Seckin Simsek - Informatik, HPC, Entwickler von SPH-EXA
Jonathan Coles - Computerwissenschaftler, Kosmologie, Entwickler von SPH-EXA
Noah Kubli - Computergestützte Astrophysik, Entwickler von SPH-EXA
Visualisierung und Datenanalyse:
Yiqing Zhu - Computational Science, Spezialist für wissenschaftliche und HPC-Visualisierung
Jean Favre - Computational Science, Senior Visualization Software Engineer
Datenmanagement & Übertragung, CI/CD & Testen:
Jean-Guillaume Piccinali – Informatikwissenschaftler
Partner:
Ralf Klessen - Sternentstehung, Computergestützte Astrophysik (Universität Heidelberg)
Domingo García-Senz - Computergestützte Astrophysik, SPH-Spezialist