/ Angeliki Karalia
TRUST: Ein Erfolgsprojekt an der Schnittstelle von Informatik und Astrophysik
Rechenressourcen bilden das Rückgrat von Forschung und Innovation auf Weltklasseniveau. Die Schweiz beherbergt mit Alps einen der leistungsfähigsten Supercomputer der Welt. Derzeit auf Platz 8 der TOP500-Liste geführt, bietet Alps eine hochmoderne Infrastruktur und Unterstützung für Spitzenforschung in einer Vielzahl wissenschaftlicher Disziplinen. Der Zugang zu einer solchen Ressource ist entscheidend für die Weiterentwicklung von Forschungsfeldern, in denen Umfang und Komplexität numerischer Simulationen sonst unerreichbar blieben. Ein Beispiel dafür ist die computergestützte Astrophysik, in der äusserst anspruchsvolle Simulationen auf Supercomputern nicht die Ausnahme, sondern die Regel sind.
Obwohl Exascale-Computing mittlerweile Realität ist und weltweit bereits vier Systeme die Exascale-Grenze (mehr als 10¹⁸ Gleitkommaoperationen pro Sekunde) überschritten haben, gibt es bislang nur eine begrenzte Zahl wissenschaftlicher Anwendungsprogramme, die diese Rechenleistung effizient nutzen können. Vor diesem Hintergrund wurde 2016 das Simulationsframework SPH-EXA als interdisziplinäres Co-Design-Projekt ins Leben gerufen. Ziel war die Entwicklung eines für Exascale-Systeme optimierten astrophysikalischen Simulationscodes für Hydrodynamik und Selbstgravitation.
Das Projekt baut auf einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen Prof. Florina Ciorba (Leiterin der High Performance Computing Forschungsgruppe am DMI) und Dr. Rubén Cabezón (sciCORE/CeDA) auf. Diese begann beinahe zufällig während der Antrittsvorlesung von Prof. Ciorba und entwickelte sich zu einer vertrauensvollen interdisziplinären Partnerschaft an der Schnittstelle von Informatik und Astrophysik. Im Laufe der Jahre führte diese erfolgreiche Zusammenarbeit zu zwei vom PASC geförderten Projekten (gemeinsam mit Prof. Lucio Mayer von der Universität Zürich und Ingenieurinnen und Ingenieuren des CSCS), zur Beteiligung am Schweizer Konsortium für das Square Kilometre Array Observatory (SKACH) sowie zu mehreren hochkompetitiven Zuteilungen von Rechenzeit.
Dazu zählen unter anderem eine bedeutende EuroHPC Extreme Scale Allocation auf dem System LUMI (GPU-Partition) in den Jahren 2023–2024 sowie jüngst eine CHRONOS Tier-0 Allocation auf dem Alps-System (Daint vCluster) am Swiss National Supercomputing Centre (CSCS). Solche Auszeichnungen werden nur an eine sehr kleine Zahl von Projekten vergeben und unterstreichen die wissenschaftlichen Leistungen des Teams, die Ambition des Projekts sowie die Stärke interdisziplinärer Zusammenarbeit an der Universität Basel.
TRUST (Turbulence Research Using SPH-EXA Technology) ist das aktuelle CHRONOS-Projekt, das dem SPH-EXA-Team für den Zeitraum von Januar bis Dezember 2026 bewilligt wurde. Im Mittelpunkt steht die Untersuchung turbulenter Durchmischungsprozesse in stellaren Umgebungen, um die bemerkenswerte chemische Homogenität von Sternhaufen besser zu verstehen.
Neben seiner astrophysikalischen Bedeutung bietet TRUST zugleich die Möglichkeit, SPH-EXA selbst unter realistischen Bedingungen auf grossem Massstab zu testen. Die dabei gewonnenen Leistungsdaten helfen, Lastungleichgewichte bei extrem grossen Rechenproblemen zu identifizieren und zu charakterisieren. Dies ist besonders wichtig, da Turbulenzsimulationen zu den anspruchsvollsten Anwendungen der computergestützten Astrophysik gehören. Sie erfordern eine sehr hohe räumliche Auflösung zur Darstellung feinster Strukturen, eine präzise Kontrolle numerischer Dissipation sowie eine dauerhaft hohe Genauigkeit über lange physikalische Zeitskalen hinweg. Dadurch zählen sie zu den rechenintensivsten und technisch herausforderndsten Simulationen überhaupt.
Durch den Zugang zu Alps im Rahmen des CHRONOS-Programms kann das SPH-EXA-Team nun im Rahmen von TRUST Simulationen durchführen, deren Umfang und Genauigkeit auf konventionellen Hochleistungsrechensystemen nicht realisierbar wären.
Für die Universität Basel zeigt dieses Projekt beispielhaft, dass wissenschaftlicher Fortschritt an den Grenzen des Wissens zunehmend sowohl von modernsten Rechenressourcen als auch von enger interdisziplinärer Zusammenarbeit abhängt. Die bewilligte CHRONOS-Zuteilung von 150'000 Node Hours mit einem geschätzten Gegenwert von 427'500 CHF unterstreicht nicht nur die wissenschaftliche Stärke von TRUST, sondern auch die Bedeutung der Bündelung von Expertise aus Informatik, High Performance Computing, numerischen Methoden und Astrophysik.
Gemeinsam werden Rubén Cabezón, Florina Ciorba und das SPH-EXA-Team weiterhin die Grenzen unseres wissenschaftlichen Verständnisses des Universums sowie die Leistungsfähigkeit modernster Supercomputer erweitern.