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Eary Access Applications: die ersten Anwendungen auf dem JUWELS-Booster

Rechenzeit auf dem JUWELS-Booster ist kostbar. Schon während der ersten Testphase im Spätsommer und Herbst dieses Jahres liefen erste Anwendungen auf dem System. Die sogenannten „Early Access Applications“ geben wertvolle Hinweise für die Optimierung der Codes, und liefern erste handfeste wissenschaftliche Ergebnisse.

Wirkstoffforschung

Graphisches Modell

Amber - Untersuchung medizinischer Wirkstoffe über biologisch relevante Zeitskalen

In den Fokus der pharmazeutischen Forschung rückt zunehmend die Frage nach dem Zusammenhang zwischen Wirkstoff-Bindung und Signalkinetik. Von besonderem Interesse ist der zeitliche Verlauf, wie bestimmte Substanzen an einen Rezeptor binden. Die Leistungsfähigkeit des JUWELS Booster-Moduls macht nun Simulationen über biologisch relevante Zeitskalen möglich.

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Atmosphären- und Klimaforschung

Temperaturkarte

DeepACF – Deep-Learning für Wettervorhersagen mit hoher Auflösung

Die Wettervorhersage spielt eine wichtige Rolle für viele wirtschaftliche und gesellschaftliche Bereiche, beispielsweise für den Katastrophenschutz, die Luft- und Raumfahrt sowie die Landwirtschaft. Im Projekt DeepACF schlagen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich daher einen neuen Weg ein, um die Prognosen räumlich weiter zu verfeinern.

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Vergleich von Satellitendaten und Simulationsdaten

ICON – Physikalische Wetter- und Klimamodelle der nächsten Generation

Mit dem JUWELS-Booster stehen erstmals die Ressourcen bereit, die notwendig sind, um Wolkenformen der sogenannten flachen Konvektion im globalen Maßstab zu simulieren. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist eine aktuelle Weiterentwicklung des ICON-Modells. Diese erlaubt es nun, rechenstarke Grafikprozessoren (GPUs), wie sie auch im JUWELS Booster verbaut sind, in großer Zahl zu nutzen

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MPTRAC

MPTRAC – Massiv parallele Trajektorien-Berechnung von Vulkanemissionen

Forscher nutzen den MPTRAC-Code, um Quellen von Schwefeldioxid (SO2) zu identifizieren und die Wege des Klimagases in der oberen Atmosphäre zeitlich und räumlich in 3D zu rekonstruieren. Die Simulationen beruhen auf der Auswertung von globalen Satellitenmessungen des SO2 in der Atmosphäre, das zum Großteil von Industrieanlagen und Vulkanen stammt.

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Erde und Umwelt

ParFlow Teaser

ParFlow – Simulation der Oberflächen-, Erd- und Grundwasserbewegungen

Der ParFlow-Code simuliert Oberflächen-, Erd- und Grundwasserbewegungen unter Berücksichtigung anthropogener Einflüsse, zum Beispiel der Grundwasserförderung und Bewässerung. Die besonderen Eigenschaften und die Größe des JUWELS-Booster-Moduls ermöglichen nun erstmals terrestrische Simulationen für Europa in einer Auflösung, die so fein ist, dass einzelne Hänge und Flusskorridore aufgelöst werden können. Dies wiederum ist die Voraussetzung dafür, um lokale Unterschiede des Wasserkreislaufs zu erfassen, die etwa für Wissenschaftler und Stakeholder von großem Interesse sind.

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Astrophysik

NBODY6++GPU Teaser

NBODY6++GPU – Dichte Sternhaufen und Gravitationswellen

Seitdem es möglich ist, Gravitationswellen mit Detektoren wie LIGO und Virgo nachzuweisen, planen Wissenschaftler, Gravitationswellen zur Untersuchung astronomischer Objekte einzusetzen. Mithilfe des JUWELS-Boosters und des Codes NBODY6++GPU werden erstmals vollständige Simulationen typischer Quellen von Gravitationswellen in dichten Sternhaufen im sogenannten lokalen Universum möglich - in Entfernungen, die von LIGO und Virgo erfasst werden können.

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Quanten-Informationsverarbeitung

Grafik von Flugrouten

JUQCS-G – Simulation eines universellen Quantencomputers

Die Rechenschritte eines Quantencomputers auf konventionellen Digitalrechnern nachzuvollziehen, ist eine große Herausforderung. Berechnungen mit derart großen Datenmengen und einer entsprechend hohen Anzahl an Prozessoren sind nur möglich mit einer Software, die effizient auf den parallelen Architekturen heutiger Supercomputer läuft. Aus diesem Grund wurde die massiv-parallele Quantensimulationssoftware JUQCS-G entwickelt, mit der sich die Ressourcen aktueller Superrechner, der vorhandene Arbeitsspeicher, die Rechenleistung und das Kommunikationsnetzwerk, voll ausschöpfen lassen.

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Materialforschung

Graphisches Modell

SOMA – Erforschung der Kinetik von Nanomaterialien

Der Code SOMA ermöglicht es, die sogenannte Mikrophasen-Separation von Polymer-Materialien zu simulieren. Das Besondere daran: Das Simulationstool kann Details der Polymer-Moleküle auflösen und gleichzeitig Längenskalen erfassen, die für technische Anwendungen relevant sind, zum Beispiel für die Herstellung von Nano-Membranen.

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Neurowissenschaften

Example of a neural circuit for the simulation of learning processes.

E-train – Lernprozesse im Gehirn verstehen

Wie genau lernt das Gehirn, komplexe, anspruchsvolle Aufgaben zu lösen? Diese Frage ist, trotz intensiver Forschung, noch weitgehend ungeklärt. Das Booster-Modul des JUWELS-Supercomputers bietet aufgrund der extrem leistungsfähigen Hardware, die dort eingesetzt wird, und der verwendeten Hochleistungsnetzwerke hervorragende Voraussetzungen, um Lernprozesse in großen Modellen von sogenannten kortikalen Kolumnen und Hirnareale abzubilden.

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Plasmaphysik

PIConGPU Simulation

PIConGPU – Plasmasimulationen für Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation

PIConGPU ist eine Open-Source-Simulationsumgebung im Bereich Laser- und Plasmaphysik. Es wird zur Entwicklung von leistungsstarken Teilchenbeschleunigern eingesetzt, die etwa für die Strahlentherapie bei der Krebsbehandlung, in der Hochenergiephysik und der Forschung mit Photonen zur Anwendung kommen. Der Code berechnet die relativistische Dynamik von Elektronen, Protonen und Ionen in elektrischen und magnetischen Feldern unter Berücksichtigung von Ionisation, Teilchenkollisionen und Strahlung.

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Elementarteilchen-Physik

Schematisches Phasendiagramm der QCD

HotQCD – Erforschung extremer Materiezustände

Das HotQCD-Forschungsprogramm zielt darauf ab, ein besseres Verständnis der Phasenstruktur und der charakteristischen Eigenschaften stark-wechselwirkender Materie zu gewinnen.

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Graphik Charm-Baryonen

Baryonen mit Charm

Es gibt vier fundamentale Wechselwirkungen, die auch als die vier Grundkräfte der Physik bezeichnet werden: Elektromagnetismus, die schwache und starke Wechselwirkung sowie die Gravitation. Die drei erstgenannten bilden das Standardmodell der Elementarteilchenphysik. Dieses Modell – bei dem es sich eigentlich um eine Theorie handelt – ist jedoch unvollständig. Forscher hoffen daher, über den Abgleich von immer genaueren theoretischen Vorhersagen und experimentellen Daten eine neue Physik jenseits des Standardmodells zu erschließen.

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Graphisches Modell

Flavor-Singulett-Struktur von Hadronen – eine grundlegende Frage der Teilchenphysik

Dieses Projekt befasst sich mit der Verteilung von Quarks und Gluonen innerhalb von Protonen und Neutronen sowie innerhalb anderer gebundener Zustände, den sogenannten Hadronen, die durch die QCD beschrieben werden. Die Ergebnisse solcher Forschungen besitzen eine hohe theoretische Relevanz, sind aber ebenso wichtig für laufende Experimente, wie sie beispielsweise am CERN durchgeführt werden.

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Graphik SignQCD

SignQCD – Simulation der heißesten Form der Materie

SignQCD simuliert die extremste Form der Materie, die im Labor erzeugt werden kann: das Quark-Gluon-Plasma. Es handelt sich um einen flüssigkeitsähnlichen Materie-Zustand, der durch die Interaktionen zwischen den elementaren Bestandteilen der Atomkerne – Quarks und Gluonen – bestimmt wird. Die Besonderheiten des JUWELS-Booster-Moduls ermöglichen es erstmals, diese Materie-Form durch direkte Simulationen bei endlichen – wenngleich geringen – Quarkdichten zu untersuchen. Damit eröffnen sich völlig neue Perspektiven für rechnerische Untersuchungen und es können neue Erkenntnisse zum QCD-Phasendiagramm gewonnen werden.

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