Universität Bielefeld, Institut für die Simulation komplexer Systeme

Schwerpunkte der Forschung

In den verschiedensten Bereichen der Forschung werden heute Simulations-Methoden zur Untersuchung komplexer Systeme, die wegen ihrer komplizierten Wechselwirkungen auf unterschiedlichen Skalen mit üblichen analytischen Methoden nicht beschreibbar sind, eingesetzt. Dabei reichen die Fragestellungen von den nun schon klassischen Problemen der Dynamik und Phasenstruktur von Vielteilchensystemen bis hin zu heute sehr aktuellen Problemen wie dem kritischen Verhalten von fluktuierenden Membranen, Spingläsern, chaotischen und selbstorganisierten Systemen oder auch neuronalen Netzen. Das Aufkommen dieser neuen Fragestellungen aus neuen Fachrichtungen ist eng gekoppelt an den rapiden Fortschritt in der Computertechnologie. Probleme, die früher als unlösbar galten, können heute numerisch untersucht werden.

Die klassischen Simulationstechniken (Monte-Carlo Algorithmen, Molekulardynamik, Finite-Elemente Methoden) finden sich heute in vielen kommerziellen Programmpaketen und werden industriell genutzt (Aero- und Hydrodynamik, Meteorologie, Erdbebenforschung, u.v.m.). Die Weiterentwicklung dieser Methoden profitiert stark von Entwicklungen in benachbarten naturwissenschaftlichen Disziplinen (Physik, Chemie, Mathematik) und von neuartigen Fragestellungen anderer Fachrichtungen (Biologie, Linguistik, Soziologie). Gleichzeitig eröffnen sich durch die stetige Leistungssteigerung moderner Supercomputer Fragestellungen einer numerischen Untersuchung, die früher als unlösbar galten. Dabei erfordern die neuartigen, wenig standardisierten Strukturen heutiger Supercomputer (massiv parallele Rechner) allerdings häufig ein Umdenken bei der (Weiter)-Entwicklung von Simulationstechniken - neuartige Algorithmen können auf massiv parallelen Rechnern realisiert werden; die üblichen vektoriellen Algorithmen sind nicht mehr effizient. Dies erfordert in erhöhtem Masse eine Zusammenarbeit unter den Nutzern von Supercomputern und eine starke Kollaboration bei der Softwareentwicklung für neue Rechnerarchitekturen. Nur so kann eine optimale Nutzung neuester Computertechnologie im oberen Leistungsbereich erreicht werden.

Das ISKOS bietet die Möglichkeit, komplexe Fragestellungen mit modernsten Supercomputern zu untersuchen und Kontakte zu anderen Fachdisziplinen aufzubauen, in denen ähnlich geartete Probleme analysiert werden. Ein Schwerpunkt der Forschung am ISKOS bildet derzeit die Simulation der Dynamik und Thermodynamik von stark wechselwirkenden Vielteilchensystemen, die von der Computer-Simulations-Gruppe der Fakultät für Physik untersucht werden.

Zusammenfassung der bisherigen Aktivitäten

  1. Das ISKOS ist für die Rechner von Typ Quadrics verantwortlich, die zusammen eine Rechenleistung von mehr als 25 Gflops haben. Die eine Hälfte dieser Anlage wurde ursprünglich von der DFG dem Schwerpunkt Dynamische Fermionen zur Verfügung gestellt. Durch die Zusage des ISKOS, diese Computer weiter zu betreiben, konnte die Anlage nach dem Ende des Schwerpunktes im Sommer 1997 in Bielefeld bleiben. Gruppen von anderen Universitäten, wie z.B. Leipzig, Münster und Wuppertal führen auch weiterhin Projekte durch. Darüber hinaus war es für die Ausbildung von Diplomanden und Doktoranden ausserordentlich wichtig, diese Anlage in Bielefeld behalten zu können. Es ist eine der grössten für Forschungszwecke verwendeten Rechneranlagen an einer deutschen Universität.

    Ein HBFG-Antrag für einen Rechner der neuen Generation, mit einer nominalen Leistung von 84 Gflops ist vom ISKOS beantragt worden, und wurde nach positiver Begutachtung im März diesen Jahres bewilligt.

  2. Es wurden zwei sogenannte PC-Farmen von Mitgliedern des ISKOS konzipiert und in Betrieb genommen, eine davon im Rechenzentrum der Universität und eine an der Fakultät für Physik. Diese PC-Farmen sind ausserordentlich leistungsfähig im Verhältnis zu den Kosten. Sie sind besonders geeignet für die Simulation ungeordneter, komplexer Systeme, die nicht an Parallellrechner angepasst werden können, aber sehr wichtig z. B. in der Biologie und der Physik sind.

  3. Jedes Jahr wird ein einführendes, fakultätsübergreifendes Blockpraktikum zum parallelen Rechnen durchgeführt, das insbesondere von den Studenten der Physik und der Naturwissentschaftlichen Informatik sehr gut angenommen wird.

  4. Das ISKOS stellt seine Kompentenz all denjenigen Gruppen der Universität Bielefeld zur Verfügung, die rechenaufwendige Probleme auf sehr leistungsfähigen Parallellrechnern, insbesondere vom Typ Quadrics, bearbeiten wollen.

    Es gibt einen speziellen ISKOS-Raum (UHG, E5-124), in dem Workstations und Terminals für Benutzer zur Verfügung stehen. Dort wird auch z. T. das Computerpraktikum des ISKOS durchgeführt.

  5. Es werden regelmässig Kolloquien veranstaltet, entweder von Mitgliedern verschiedener Fakultäten der Universität oder von eingeladen Gästen anderer Universitäten oder Forschungseinrichtungen sowohl aus Deutschland als auch aus dem Ausland.

  6. Ein wichtiger Teil der Aktivitäten ist die Zusammenarbeit mit anderen Einrichtungen ähnlicher Art, insbesondere dem Paderborn Center for Parallel Computing, PC 2, in Paderborn, dem Institut für Angewandte Informatik (IAI) in Wuppertal und dem Parallelrechner-Institut des Desy-Zeuthen (NIC-Zeuthen). Es bestehen auch enge Kontakte mit dem INFN, Italien, das die Quadricsrechner konzipiert hat, ebenso wie mit der Firma QSW, die die Rechner produziert. Im Rahmen eines Kooperationsabkommens zwischen DESY, QSW und den Universitäten Bielefeld und Wuppertal (ACOMO) wird ein Prototyp der neuen Computergeneration dem ISKOS zur Verfügung gestellt. Es besteht auch Interesse an einer weiteren Zusammenarbeit in der Entwicklung und Anwendung von spezialisierten Systemen mit sehr grosser Rechenleistung bis zu 30 Gflops in den nächsten 4-5 Jahren.

    Die bisherige Zusammenarbeit ist formalisiert durch die ACOMO-Übereinkunft sowie durch einen Forschungsverbund Bielefeld-Paderborn.

    Ein weiteres Abkommen Bielefeld-Paderborn-Wuppertal, mit besonderem Gewicht auf der Ausbildung der Studenten auf den modernsten parallelen Höchleistungsrechnern ist in Vorbereitung. Dieses Zusammenarbeit ist besonders aktuell, da neue Rechner unterschiedlicher Architektur, aber alle von der neusten Generation der Höchstleistungsrechner, in diesem Jahr voraussichtlich an allen drei Instituten installiert werden.

  7. Zwischen dem ISKOS und dem Paderborn Center for Parallel Computing PC 2, Paderborn, ist eine sehr fruchtbare Zusammenarbeit zustandegekommen. Dies hat zu einem gemeinsamen ZiF-Projekt Multi-Scale Phenomena: The Simulation of Complex Systems on Massively Parallel Computers in der Zeit von 1996 bis 1998 geführt. Es wurden viele international anerkannte Forscher auf dem Gebiet der Simulation Komplexer Systeme zu kürzeren oder längeren Aufenthalten eingeladen. Im Rahmen dieses Projekts haben auch zwei Workshops stattgefunden.

  8. Weiterhin betreibt das Hochschulrechenzentrum eine sehr schnelle Datenleitung zwischen Bielefeld und Paderborn, die neue Formen der Zusammenarbeit (Meta-Computing) zwischen dem ISKOS und PC 2 ermöglicht. Sowohl ISKOS als auch PC 2 haben sich für das Zustandekommen dieser Leitung eingesetzt. Die Datenleitung wurde am 22.06.98 eingeweiht und macht es möglich, die Rechner in Bielefeld und Paderborn, die von verschiedenem Typ sind und deshalb komplementär, miteinander so zu verbinden, dass Teile eines Problems auf dem einen und andere Teile auf dem anderen Rechner behandelt werden können, und zwar ohne Verzögerung. Diese Art von Metacomputing ist sehr aktuell und eine vielversprechende Zukunftsmöglichkeit. Es ist sehr erfreulich, dass so eine Pionieranlage in unserer Region zustandegekommen ist.

  9. Es existiert eine Zusammenarbeit mit mehreren Instituten ähnlicher Art in den USA und Japan. Insbesondere sind mit einem der bedeutendsten Institute, dem Institute of Computational Physics, Tsukuba, Japan, enge Kontakte geknüpft. Dieses Institut betreibt einen Supercomputer von 600 Gigaflops, einer der grössten der Welt.

  10. Das ISKOS nimmt Teil an der Planung eines europäischen Rechenzentrums für die Simulation von Materie unter extremen Bedingungen. Zu diesem Zweck hat das ISKOS 1998 ein Treffen in Bielefeld organisiert. Ein weiteres hat im März 1999 in Trento, Italien, stattgefunden. Es ist durchaus möglich, dass dieses Rechenzentrum Bielefeld als Standort bekommt, wegen der Erfahrungen und Kompetenzen, die hier vorhanden sind.

  11. Das ISKOS verwaltet für das EU-Netzwerk Phase Transition in Hot Matter eine Datenbank.

  12. In Zusammenhang mit dem neuen Schwerpunkt Biophysik, der an der Fakultät für Physik aufgebaut werden soll, spielen Simulationen komplexer Systeme eine sehr grosse Rolle. Die Kompetenzen und Computer des ISKOS werden für diesen Schwerpunkt sehr hilfreich sein.

Als besonders zukunftsträchtige Aktivitäten schätzen wir das Metacomputing-Projekt mit der Universität Paderborn ein. Dies wird umso interessanter, wenn die Rechner der neuen Generation installiert sind. Das Metacomputing bildet für die Forschung die Möglichkeit, eine erweiterte Klasse von Problemen zu behandeln. Ein mögliches europäisches Rechenzentrum in Bielefeld, sowie gemeinsame Lehrveranstaltungen mit Wuppertal und Paderborn in Höchstleistungsrechnen werden neue Anforderungen an das ISKOS stellen. Studenten mit naturwissenschaftlicher Ausrichtung, die gleichzeitig mit den modernsten Höchstleistungsrechnern Erfahrung sammeln könnten, haben besonders gute Aussichten in der Arbeitswelt.

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Gudrun Eickmeyer
Ines Wetzorke

Last Update: 18.2.2000