Rekord auf SuperMUC

Ein Team aus Informatikern, Mathematikern und Geophysikern hat die Erdbebensimulationssoftware SeisSol auf dem Höchstleistungsrechner SuperMUC so effizient optimiert, dass die „magische“ Marke von einem Petaflop pro Sekunde fiel. Das entspricht eimehr als einer Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde. Mithilfe von SeisSol erforschen Geophysiker Bruchprozesse und seismische Wellen im Untergrund der Erde. Ihr Ziel ist es, Erdbeben möglichst realistisch zu simulieren, um auf zukünftige Ereignisse besser vorbereitet zu sein und um die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen. Die Berechnung dieser Simulationen ist jedoch so komplex, dass selbst Supercomputer an ihre Grenzen stoßen.

Im Rahmen einer Kooperation passten nun die Arbeitsgruppen um Christian Pelties vom Department für Geo- und Umweltwissenschaften der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und Michael Bader vom Institut für Informatik der Technischen Universität München (TUM) das Programm SeisSol so an die Parallelrechenstruktur des Garchinger Höchstleistungsrechners SuperMUC an, dass er um einen Faktor Fünf schneller arbeitete. Mit einem virtuellen Experiment erreichten die Forscher einen neuen Rekord: Um Vibrationen innerhalb des geometrisch sehr komplizierten Vulkans Merapi auf der Insel Java zu simulieren, führte der Supercomputer 1,09 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde durch. SeisSol konnte diese ungewöhnlich hohe Rechenleistung über die gesamte Laufzeit von drei Stunden halten und nutzte dabei alle 147.456 Rechenkerne des SuperMUC.

Möglich wurde das durch eine umfassende Optimierung und die komplette Parallelisierung aller 70.000 Codezeilen von SeisSol, das nun Rechenleistungen von bis zu 1,42 Petaflop pro Sekunde erzielen kann. Dies entspricht 44,5 Prozent der theoretisch auf dem SuperMUC verfügbaren Leistung. Damit gehört SeisSol weltweit zu den effizientesten Simulationsprogrammen seiner Art. „Dank der nun möglichen hohen Rechenleistungen können wir fünf Mal so viele oder größere Modelle durchrechnen und erreichen deutlich präzisere Ergebnisse. Unsere Simulationen kommen so der Realität immer näher“, sagt Geophysiker Christian Pelties. „Damit wird es möglich, viele grundlegende Mechanismen von Erdbeben besser zu verstehen, um hoffentlich besser auf zukünftige Ereignisse vorbereitet zu sein.“

Als nächste Schritte sind Simulationen von Erdbeben geplant, die sowohl den Bruchprozess auf der Meterskala als auch die dadurch erzeugten zerstörerischen seismischen Wellen simulieren, die sich über hunderte Kilometer ausbreiten. Die Ergebnisse sollen das Verständnis von Erdbeben verbessern und eine genauere Einschätzung zukünftiger Ereignisse ermöglichen. „Die Beschleunigung der Simulationssoftware um einen Faktor Fünf ist nicht nur für die geophysikalische Forschung ein wichtiger Fortschritt“, sagt Michael Bader. „Zugleich bereiten wir die verwendeten Methoden und Softwarepakete schon für die nächste Generation von Supercomputern vor, auf denen entsprechende Simulationen routinemäßig für verschiedene Anwendungen in den Geowissenschaften eingesetzt werden sollen“. Die bisherigen Ergebnisse des Projektes werden im Juni auf der International Supercomputing Conference in Leipzig vorgestellt.

Bayer. Akademie d. Wiss. / PH